biol 121 chp 3 pt2: cell structure and function

1  

The  Cellular  Level  of  

Organiza3on  Part  2:  Cell  Structure  &  Func3on  

BIOL  121:  A&P  I  

Chapter  3  

Rob  Swatski  Associate  Professor  of  Biology  

HACC  –  York  Campus   Text

book

imag

es -

Cop

yrig

ht ©

201

4 Jo

hn W

iley

& S

ons,

Inc.

All

right

s re

serv

ed.

Flagellum   Chroma.n  

Nuclear  pore  

Nuclear  envelope  

Nucleolus  

Glycogen  granules  

CYTOPLASM  (cytosol  plus  organelles  except  the  nucleus)  

Rough  endoplasmic  re.culum  (ER)  

Membrane-­‐bound  ribosome  

Golgi  complex  

Microfilament  

Sec.onal  view  

Cytoskeleton:  

Microtubule  

Microfilament  

Intermediate  filament  

Microvilli  

Centrosome:  Pericentriolar  material  

Centrioles  

PLASMA  MEMBRANE  

Secretory  vesicle  

Lysosome  

Smooth  endoplasmic  re.culum  (ER)  

Peroxisome  

Mitochondrion  

Microtubule  

Cilium  

Proteasome  

Free  ribosomes  

NUCLEUS:  

Cytoplasm  

Cytosol  

Water   Solutes  Macro-­‐  

molecules  

Cyto-­‐skeleton  

Protein  filaments  

Organelles  

Membrane-­‐bound  

3  

4  

Cytoskeleton  

Cytoskeleton  

Microfilaments  

Intermediate  filaments  

Microtubules  

5  

Func3ons  of  the  Cytoskeleton  

Support  &  strength  

Maintains  cell  shape  

Organizes  metabolic  reac.ons  

Moves  organelles  &  cell  

6  

7  

Microfilaments  

Ac.n  

Support  cell  

Movement  

Microfilaments  

8  

Intermediate  Filaments  

Kera.n  

Support  cell  

Anchor  organelles  

9  

Intermediate  Filaments   10  

Intermediate  Filaments  (Kera3n)  

11  

Microtubules  

Tubulin  

Cell  shape  

Transport  organelles  

Separate  chromosomes  

12  

Microtubules   13  

Centrosomes  

14  

Centrosomes  

Contain  centrioles  

MT-­‐organizing  centers  

Create  mito3c  spindle  

15  

TEM  

Pericentriolar  material  

65,000x  Centrioles  

Longitudinal  sec/ons  

Transverse  sec/on  

Centrioles  

Centrioles  

17  

Mito3c  spindle  

18  

Cilia  

Many  

Short  

Sweep  materials  across  cell  

Flagella  

Single  

Long  

Move  en.re  sperm  cell  

19  

20  Cilia  

Flagellae  21  

22  

Sperm  with  flagellum  

Sperm  fer3lizing  egg  (oocyte)  23  

24  

Microtubules  in  Cilia  &  Flagella  

9+2  

25  

Cell  surface  

Power  stroke  

Recovery  stroke  

Cilium  

Movement  of  liquid  

1  

2   3  

4  

5  

6  7  

8  

Ciliary  Movement  

Cell  surface  

Movement  of  cell  

Flagellar  Movement  

Ribosomes   Endoplasmic  re.culum  

Golgi  complex   Lysosomes  

Peroxisomes   Mitochondria  

Organelles  

28  

Ribosomes  

Proteins  &  rRNA  

Made  by  nucleolus  

Small  &  large  subunits  

Sites  of  protein  synthesis  

29  

Endoplasmic  Re3culum  

Tube-­‐like  membrane  network  

Rough  ER  

Smooth  ER  

30  

ER  

31  

Golgi  Complex  

Stack  of  flat  membrane  sacs  

Receives  transport  vesicles  

Processes,  sorts,  packages,  &  

delivers  proteins  32  

Entry  face  cisterna  

Medial  cisterna  

Exit  face  cisterna  

Transport  vesicle  (to  lysosome)  

Proteins  in  membrane  vesicle  merge  with  plasma  membrane  

Proteins  exported  from  cell  by  exocytosis  

Plasma  membrane  

Membrane  vesicle  

Rough  ER  Ribosome  

Synthesized  protein   Transport  vesicle  

Transfer  vesicle  

Secretory  vesicle  

Transfer  vesicle  

1  

2  

3  

5  

4  

6  

4  

7  

8  

9  

Golgi  complex  

Lysosomes  

Membrane-­‐bound  vesicles  

Cellular  “stomachs”  

Contain  diges.ve  enzymes  

34  

Func3ons  of  Lysosomes  

Phagosome  

Autophagy  

Apoptosis  (Autolysis)  

35  

Peroxisomes  

Smaller  membrane-­‐

bound  vesicles  

Contain  enzymes  that  oxidize  

organic  wastes  

Break  down  facy  acids,  amino  acids,  toxins  

36  

Mitochondria  

Outer  &  inner  membrane  (cristae)  

Matrix  

Aerobic  cellular  respira3on    (makes  ATP)  

37  

TEM   80,000x  

(b)  Transverse  sec.on  

Outer  mitochondrial  membrane  

Inner  mitochondrial  membrane  

Mitochondrial  matrix  

Mitochondrial  cristae  

Mitochondrial  Myopathy  39  

Nucleus  

Nuclear  envelope  with  

pores  

Nucleolus  

DNA  

Chroma3n  &  chromosomes  

40  

(a)  Details  of  the  nucleus  

Nuclear  envelope  

Nuclear  pore  

Nuclear  envelope  Nuclear  pore  

Polyribosome  

Chroma.n  Nucleolus  

Rough  endoplasmic  re.culum  

(b)  Details  of  the  nuclear  envelope  

DNA  

Chroma3n  

Non-­‐dividing  cells  

Unorganized,  loose  threads  

Chromosomes  

Dividing  cells   Genes  

42  

43  

Chroma3n  

Chromosomes  

SEM   6050x  

Chroma.ds  

Centromere  

Chromosome  

Chromosomes  

Chromosomes  &  loci  45  

46  

DNA  Condensa3on  

47  

Protein  Synthesis  

Transcrip3on  

Transla3on  

48  

Step  1:  Transcrip3on  

49  

50  

51  

Step  2:  Transla3on  

(a)  Components  of  a  ribosome  and  their  rela.onship  to  mRNA  and  protein  during  transla.on  

(b)  Interior  view  of  tRNA  binding  sites  

mRNA  

Large  subunit  

Protein  

Small  subunit  

mRNA  binding  site  

P  site   A  site  E  site  

Ribosomes:  Large  &  Small  Subunits  

Ini.ator  tRNA  acaches  to  a  start  codon.  

Amino  acid  (methionine)  

An.codon  

Ini.ator  tRNA  

mRNA  

Small  subunit  

Start  codon  

Key:  =  Adenine  =  Guanine  =  Cytosine  =  Uracil  

1  

1.  Ini3a3on  

Large  and  small  ribosomal  subunits  join  to  form  a  func.onal  ribosome  and  ini.ator  tRNA  fits  into  P  site.  

Ini.ator  tRNA  

Large  subunit  

E  site  

Small  subunit  

P  site  

A  site  

2  

Key:  =  Adenine  =  Guanine  =  Cytosine  =  Uracil  

An.codon  of  incoming  tRNA  pairs  with  next  mRNA  codon  at  A  site.  

tRNA  

An.codon  

Amino  acid  

mRNA  Codons  

3  

Key:  =  Adenine  =  Guanine  =  Cytosine  =  Uracil  

Amino  acid  on  tRNA  at  P  site  forms  a  pep.de  bond  with  amino  acid  at  A  site.  

4  

Key:  =  Adenine  =  Guanine  =  Cytosine  =  Uracil  

The  two-­‐pep.de  protein  created  from  the  forma.on  of  the  pep.de  bond  becomes  acached  to  tRNA  at  A  site.  

New  pep.de  bond  

5  

Key:  =  Adenine  =  Guanine  =  Cytosine  =  Uracil  

Ribosome  shihs  by  one  codon:  tRNA  previously  at  P  site  enters  E  site  and  is  released  from  ribosome;  tRNA  previously  at  A  site  is  now  at  P  site.  

6  

Key:  =  Adenine  =  Guanine  =  Cytosine  =  Uracil  

Protein  synthesis  stops  when  the  ribosome  reaches  stop  codon  on  mRNA.  

7  

Stop  codon  

Key:  =  Adenine  =  Guanine  =  Cytosine  =  Uracil  

mRNA   Growing  protein  

Complete  protein  

Summary  of  movement  of  ribosome  along  mRNA  

Key:  =  Adenine  =  Guanine  =  Cytosine  =  Uracil  

Nucleus  

DNA  

Nuclear  pore  

RNA  

Plasma  membrane  

Cytoplasm  

RNA  

Ribosome  

Protein  

Step  1:  Transcrip3on  

Step  2:  Transla3on  

Cell  Division  

Soma3c  

Body  cells   Mitosis  &  Cytokinesis  

Reproduc3ve  

Sperm  &  Eggs  

Meiosis  &  Cytokinesis  

62  

S  

G2  

M  

G1  

Cell  Cycle  

63  

S  phase  DNA  replicated  

(8  hours)  

G2  phase  Cell  growth  con.nues;  enzymes  and  other  

proteins  are  synthesized;  centrosome  replica.on  completed.  

G1  phase  Cell  metabolically  ac.ve;  duplicates  organelles  and  

cytosolic  components;  centrosome  replica.on  begins.  

G0  Exit  from  cell  

cycle  (nondividing  cell)   An

aphase  

Metaphase  

INTERPHASE  

8-­‐10  hou

rs   4-­‐6  hours  

MITOTIC  (M)  PHASE  

65  

S-­‐phase:    DNA  Replica3on  

66  

Mito3c  Phase  

67  

Interphase  

Nucleus  &  nucleoli  intact  

DNA  =  Chroma3n  

Cell  is  not  dividing  

68  

69  

Interphase  

Prophase  

Metaphase  

Anaphase  

Telophase  

70  

71  

Prophase  Nucleus  &  nucleoli  

disappear  

Centrosomes  move  to  opposite  poles  

Chroma.n  à  Chromosomes  

Chroma3ds  &  centromere  

72  

73  

Prophase  

Spindle  Made  by  

centrosomes  

Microtubule  spindle  fibers  

Binds  to  centromeres  

Asters  

74  

Spindle  asters  

75  

Centrosomal  protein  muta3on  

76  

Metaphase  Centromeres  @  metaphase  plate  

Alignment  &  symmetry  @  poles  

Prepara.on  for  separa.on  

77  

78  

Metaphase  

Metaphase  

79  

Anaphase  Spindle  fibers  disassemble  

Centromeres  split  &  chroma.ds  separate  

Daughter  chromosomes  move  to  opposite  poles  

80  

81  

Anaphase  

Anaphase  

82  

Telophase  Reverse  of  Prophase  

Chromosomes  à  Chroma.n  

Spindle  disassembles  

Nucleus  &  nucleoli  re-­‐

form  83  

84  

Telophase  

Cytokinesis  

Cytoplasmic  division  

Cleavage  furrow  

Completed  aher  nuclear  

division  

85  

86  

Cytokinesis  

87  

Meiosis  Reproduc.ve  cell  division  

Produces  gametes  

(sperm  &  eggs)  

Diploid  (2n)  à  Haploid  (n)  

Two  stages:  Meiosis  I  &  Meiosis  II  

88  

Centrioles  

PROPHASE  I  

Centromere  

Chromosome  

Tetrad  

Sister  chroma.ds  

Tetrads  formed  by  synapsis  of  sister  chroma.ds  of  homo-­‐logous  chromosomes  

METAPHASE  I   Cleavage  furrow  

Separa.on  of  homologous  chromosomes  ANAPHASE  I  

TELOPHASE  I  

Metaphase  plate  

Pairing  of  homologous  chromosomes  

Crossing-­‐over  between  nonsister  chroma.ds  

Kinetochore  microtubule  

Meiosis  I  

Prophase  I  

90  

Crossing-­‐over  

91  

Meiosis  I,  cont.  

92  

93  

Meiosis  II  

MEIOSIS  II  MEIOSIS  I  

TELOPHASE  I   PROPHASE  II  

METAPHASE  II  

ANAPHASE  II  

TELOPHASE  II  Meiosis  Overview  

95  

96  

Mitosis  vs.  Meiosis  

PROPHASE  I  

PROPHASE  

MEIOSIS  MITOSIS   Star.ng  cell  

2n  Chromosomes  

already  replicated  

Tetrads  formed  by  synapsis  

Crossing-­‐over  

METAPHASE  I  Tetrads  line  up  along  the  metaphase  plate  

ANAPHASE  I  

Each  cell  has  one  of  the  replicated  chromosomes  from  each  homologous  pair  of  chromosomes  (n)  

Homologous  chromosomes  separate  (sister  chroma.ds  remain  together)  TELOPHASE  I  

PROPHASE  II  

PROPHASE   PROPHASE  II  

METAPHASE  II  

ANAPHASE  II  

TELOPHASE  II  

METAPHASE  

ANAPHASE  

TELOPHASE  

INTERPHASE  

2n   2n  

Chromosomes  line  up  along  the  metaphase  plate  

Sister  chroma.ds  separate  

Cytokinesis  

Resul.ng  cells  

n   n   n   n  

Soma.c  cells  with  diploid  number  of  chromosomes  (not  replicated)  

Gametes  with  haploid  number  of  chromosomes  (not  replicated)