Lernzettel: Zellbiologie und Kennzeichen des Lebens

📋 Kursübersicht

1. Zellbestandteile und ihre Funktionen
2. Plastiden und Zellorganellen
3. Kennzeichen des Lebendigen
4. Basiskonzepte des Lebendigen
5. Chloroplasten und Cytoskelett
6. Zellmembran und Zellwand
7. Zellkern, Ribosomen und ER
8. Weitere Zellorganellen
9. Endosymbiontentheorie
10. Phasen der Mitose
11. Die Zelle als Chemiefabrik
12. Modelle der Biomembran
13. Lipide und Membranaufbau

📅 Wichtige Daten

1. 1595Die Brüder Janssen entwickelten die Kombination mehrerer Linsen zum ersten Mikroskop.
2. 1610Galileo Galilei verwendete ein Mikroskop mit stärkerer Vergrößerung und untersuchte damit Insekten.
3. 1665Robert Hooke untersuchte Flaschenkork mit einem Mikroskop und beschrieb die beobachteten Kammerstrukturen als „Zellen“.
4. 1667Antony van Leeuwenhoek entdeckte Einzeller in Wassertropfen, rote Blutzellen und Spermienzellen und erreichte bis zu 250fache Vergrößerung.
5. 1838/39Matthias Schleiden und Theodor Schwann formulierten die allgemeine Zelltheorie, nach der die Zelle die strukturelle und funktionelle Grundeinheit aller Lebewesen ist. - Matthias, Thomas, 1838/39
6. 1855Rudolf Virchow formulierte „Omnis cellula e cellula“: Jede Zelle entsteht aus einer Zelle.
7. 1925Gorter und Grendel zeigten mit einem Versuch an Erythrocytenmembranen, dass die extrahierten Phospholipide als Monolayer eine Fläche bedeckten, die etwa doppelt so groß war wie die Gesamtoberfläche der verwendeten Erythrocyten. - GORDER und GRENDEL, 1925
8. 1931Ernst Ruska entwickelte die Elektronenmikroskopie zur Untersuchung des zellulären Feinbaus.
9. 1953Watson und Crick entwickelten ein Modell der DNA-Doppelhelix.
10. 1972Singer und Nicolson beschrieben das Flüssig-Mosaik-Modell der Zellmembran.

📖 1. Zellbestandteile und ihre Funktionen

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Cytoskelett: Ein Netzwerk aus Proteinfasern, das der Zelle Form und Stabilität sowie Bewegungen ermöglicht.

★ Unbedingt können

📌 Die Kernhülle besteht aus zwei Membranen und besitzt Kernporen, während die Zellmembran aus einer Membran besteht und die gesamte Zelle abgrenzt.

• Der Zellkern ist 3–15 µm groß, von einer Doppelmembran umgeben, enthält DNA, speichert Erbinformationen und steuert die Zelle.

• Ribosomen sind 15–30 nm große, membranlose Strukturen aus rRNA und Proteinen, die Proteine herstellen.

• Vom ER kommende Vesikel liefern Stoffe an den Golgi-Apparat, wo diese verändert, sortiert und weitertransportiert werden.

• Die Vakuole enthält Zellsaft und erzeugt Turgordruck, der den Zellinhalt gegen die Zellwand presst und der Pflanze Stabilität verleiht; bei unzureichendem Turgor wird die Pflanze schlaff.

Ergänzungen

📌 Das raue endoplasmatische Retikulum besitzt Ribosomen, das glatte endoplasmatische Retikulum dagegen nicht.

• Das endoplasmatische Retikulum ist ein weit verzweigtes Membransystem; Proteine werden am rauen ER hergestellt.

• Der Golgi-Apparat besteht aus Stapeln flacher Membransäckchen, den Dictyosomen, und Vesikeln.

📖 2. Plastiden und Zellorganellen

📝 Wesentliche Punkte

• Mitochondrien und Plastiden besitzen jeweils zwei Membranen, eigene DNA und Ribosomen und können sich teilen.

• Proplastiden sind die Ausgangsform, aus der abhängig von Bedingungen wie Licht Chloroplasten, Chromoplasten oder Leukoplasten entstehen können; verschiedene Plastiden können sich ineinander umwandeln.

📖 3. Kennzeichen des Lebendigen

★ Unbedingt können

• Die fünf Kennzeichen des Lebendigen sind:
  • Bewegung
  • Ernährung
  • Fortpflanzung
  • Wachstum
  • Reaktion auf Reize

Ergänzungen

• Fortpflanzung, Reizbarkeit und Stoffwechsel werden ebenfalls als Kennzeichen des Lebendigen genannt.

• Pflanzen gelten als Lebewesen, weil sie sich bewegen, Wasser und Nährstoffe aufnehmen, sich fortpflanzen, wachsen und auf Reize reagieren; die Mimose ist ein Beispiel für eine reizempfindliche Pflanze.

📖 4. Basiskonzepte des Lebendigen

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Kompartimentierung: Dass lebende Systeme sich gegen ihre Umwelt abgrenzen und selbst aus abgegrenzten Reaktionsräumen bestehen.
• Struktur und Funktion: Dass Lebewesen und Lebensvorgänge an Strukturen gebunden sind, die zu ihrer jeweiligen Funktion passen.
• Stoff- und Energieumwandlung: Dass Lebewesen ihrer Umwelt ständig Stoffe und Energie entziehen, diese umwandeln und als andere Stoffe und Energieformen wieder abgeben.
• Steuerung und Regelung: Die Kontrolle von Körperprozessen und Wechselbeziehungen mit der Umwelt, wobei viele Zustandsgrößen in engen Grenzen gehalten werden.
• Information und Kommunikation: Lebende Systeme nehmen Informationen auf, speichern und verarbeiten sie und beantworten sie.
• Reproduktion: Die Fortpflanzung von Lebewesen mit begrenzter Lebensdauer; die Abfolge der Generationen ermöglicht Abwandlung.
• Variabilität und Angepasstheit: Unterschiede biologischer Strukturen, Zellen, Individuen, Funktionen und Strategien, die evolutionäre Anpassung an veränderte Umweltbedingungen ermöglichen.
• Geschichte und Verwandtschaft: Alle heutigen Lebewesen sind im Verlauf einer seit Milliarden von Jahren andauernden Stammesgeschichte aus einer gemeinsamen Wurzel entstanden und miteinander verwandt.

📖 5. Chloroplasten und Cytoskelett

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Cytoskelett: Ein Netzwerk feiner Proteinstrukturen im Cytoplasma, das der Zelle als Gerüst dient, Organellen an ihrem Platz hält und als Transportspant wirkt.

★ Unbedingt können

• Chloroplasten kommen nur in Pflanzenzellen vor und sind wie Mitochondrien durch zwei Membranen vom Cytoplasma abgegrenzt.

• Chloroplasten sind die Organellen der Fotosynthese und in drei Kompartimente gegliedert.

Ergänzungen

• Im Innern der Chloroplasten liegt ein Membransystem aus flachen Zisternen, den Thylakoiden; gestapelte Thylakoide bilden Grana, die im elektronenmikroskopischen Bild dunkel erscheinen.

📌 Mikrofilamente sind dünne, stabile Proteinfasern und beispielsweise für die Cytoplasmaströmung in Pflanzenzellen verantwortlich, während Mikrotubuli röhrenförmige Bestandteile des Cytoskeletts sind.

• Mikrotubuli haben einen Durchmesser von rund 25 nm und bestehen aus in der Regel 13 kreisförmig angeordneten Protofilamenten, die eine hohle Röhre bilden.

• Der Auf- und Abbau von Mikrotubuli ermöglicht die Bewegung von Vesikeln.

💡 Eselsbrücke

Gestapelte Thylakoide erinnern an Münzenstapel in einem Chloroplasten.

📖 6. Zellmembran und Zellwand

★ Unbedingt können

• Die Zellmembran begrenzt die Zelle nach außen und ermöglicht einen regen Stoffaustausch zwischen Cytoplasma und extrazellulärem Raum.

• Nur Pflanzenzellen besitzen eine Zellwand, die der Zelle eine feste Form verleiht.

Ergänzungen

• Poren in der Zellwand ermöglichen den Durchtritt von Plasmodesmen, membranumhüllten Cytoplasmasträngen, die das Zellinnere benachbarter Pflanzenzellen verbinden.

• Plasmodesmen treten gehäuft im Bereich der Tüpfel auf.

💡 Eselsbrücke

Die Zellmembran begrenzt jede Zelle; die Zellwand besitzen nur Pflanzenzellen.

📖 7. Zellkern, Ribosomen und ER

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Zellkern: Das Steuerzentrum der Zelle und von einer doppelten Membran, der Kernhülle, umschlossen.
• Ribosomen: Die Orte der Eiweißbildung, an denen Aminosäuren nach Anweisung der Erbinformationen aus dem Zellkern zu Proteinen verbunden werden.
• Endoplasmatisches Reticulum: Ein ausgedehntes Kanalsystem, das die Zelle durchzieht, mit anderen Organellen verbunden ist und unter anderem direkt in die Kernhülle übergeht.

📝 Wesentliche Punkte

• Kernporen ermöglichen den Austausch größerer Moleküle zwischen dem Innern des Zellkerns und dem Cytoplasma.

• Im Nucleolus, dem Kernkörperchen, werden Bausteine für Ribosomen hergestellt.

• Ribosomen liegen entweder frei im Cytoplasma oder sind an die Membranen des endoplasmatischen Reticulums gebunden.

• Das endoplasmatische Reticulum dient der Herstellung und Verarbeitung verschiedener Stoffe sowie vor allem dem Stofftransport.

📌 Raues ER besitzt Ribosomen an der Membranoberfläche und erscheint deshalb im elektronenmikroskopischen Bild rau, während ribosomenfreie Abschnitte glattes ER heißen.

📖 8. Weitere Zellorganellen

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Lysosomen: Vom Golgi-Apparat abgeschnürte Vesikel, die zelleneigenes und zellfremdes Material verdauen.
• Vakuolen: Große Vesikel, die große Moleküle verdauen und Produkte des Zellstoffwechsels speichern.

★ Unbedingt können

• Dictyosomen bestehen aus 4–10 übereinandergestapelten, flachen, membranbegrenzten Hohlräumen, in denen Stoffe umgewandelt, gespeichert, in Golgi-Vesikel verpackt und weitertransportiert werden.

• Mitochondrien sind von zwei Membranen umgeben; die äußere ist glatt, während die innere zahlreiche nach innen gerichtete Einfaltungen, die Cristae, besitzt.

• Mitochondrien sind die Organellen der Zellatmung.

Ergänzungen

• Die Gesamtheit aller Dictyosomen einer Zelle wird nach ihrem Entdecker Golgi-Apparat genannt.

📌 Pflanzenzellen enthalten keine Lysosomen; dort übernimmt die Vakuole deren Verdauungsfunktion.

• Ausgewachsene Pflanzenzellen besitzen meist eine große, zentral gelegene Vakuole, deren osmotischer Wert den Innendruck der Zelle erzeugt.

• Peroxisomen, auch Microbodies genannt, sind vesikelähnliche Organellen, die mithilfe von Enzymen Fettsäuren und andere Substrate abbauen.

📖 9. Endosymbiontentheorie

🔑 Schlüsselkonzepte & Definitionen

• Endosymbiontentheorie: Besagt, dass Mitochondrien und Chloroplasten aus aufgenommenen Bakterien beziehungsweise Cyanobakterien hervorgegangen sein sollen, die in der Wirtszelle nicht verdaut wurden und als Symbionten weiterlebten.
• Symbiose: Eine wechselseitige Beziehung zwischen Organismen verschiedener Arten, aus der beide Nutzen ziehen.

★ Unbedingt können

• Nach der Endosymbiontentheorie nahm eine größere ursprüngliche Prokaryotenzelle Bakterien oder Cyanobakterien durch Endocytose auf; diese wurden nicht verdaut, sondern lebten als Symbionten in der Wirtszelle weiter und entwickelten sich zu Mitochondrien beziehungsweise Chloroplasten.

📌 Die innere Membran von Mitochondrien und Chloroplasten ähnelt chemisch stärker der Bakterien- beziehungsweise Cyanobakterienmembran, während die äußere Membran stärker der Membran der Wirtszelle ähnelt.

📌 Mitochondrien und Chloroplasten besitzen eigene freie Erbsubstanz in einem oder mehreren ringförmigen Molekülen und 70-S-Ribosomen, während das Cytoplasma der Eukaryoten 80-S-Ribosomen enthält.

Ergänzungen

• Vor wahrscheinlich 1,4 Milliarden Jahren entstanden die ersten, im Vergleich zu Prokaryoten komplexer organisierten Eukaryoten.

• Die Aufnahme von Mitochondrienvorfahren soll der Wirtszelle einen Vorteil verschafft haben, weil die darin ablaufende aerobe Zellatmung unter Sauerstoffverbrauch effektiver Energie bereitstellt als die anaerobe Energiegewinnung.

• Cyanobakterien produzierten durch Fotosynthese aus Kohlenstoffdioxid und Wasser mithilfe von Lichtenergie Sauerstoff und energiereiche Kohlenhydrate; ihre Aufnahme als Symbionten soll zur Entstehung der ersten fotosynthesefähigen Pflanzenzellen geführt haben.

• Mitochondrien und Chloroplasten können nicht von der Zelle neu gebildet werden, sondern vermehren sich durch Zweiteilung.

💡 Eselsbrücke

Aufnahme nicht verdauter Bakterien → Symbiose → neue Organellen

📖 10. Phasen der Mitose

★ Unbedingt können

• Die Interphase ist die Phase höchster Stoffwechselaktivität und umfasst G₁-, S- und G₂-Phase.

📌 In der G₁-Phase wächst die Zelle ohne Herstellung von DNA, in der S-Phase wird die DNA verdoppelt und in der G₂-Phase findet keine DNA-Herstellung statt.

• In der Prophase ordnet sich das Erbmaterial, die Chromosomen werden sichtbar und bestehen aus zwei am Centromer verbundenen Tochterchromatiden; die Centrosomen wandern zu entgegengesetzten Seiten, die Kernspindel entsteht und die Kernhülle löst sich auf.

• In der Metaphase ordnen sich die Chromosomen in der Äquatorialebene an und die Kernspindel ist vollständig ausgebildet.

• In der Anaphase werden die beiden Chromatiden jedes Chromosoms getrennt und die Tochterchromatiden durch den Spindelfaserapparat zu entgegengesetzten Polen gezogen.

Ergänzungen

• In der Telophase erreichen die Chromosomen mit jeweils einem Chromatid die Pole, die Kernspindel verschwindet, die Kernhülle bildet sich wieder und zwischen den neuen Zellen entstehen Zellmembranen.

💡 Eselsbrücke

G₁, S und G₂ führen über Prophase, Metaphase und Anaphase zur Telophase.

📖 11. Die Zelle als Chemiefabrik

★ Unbedingt können

📌 In der Fabrikanalogie entspricht die Steuerzentrale dem Zellkern, die Werkstraßen dem Cytoskelett beziehungsweise dem endoplasmatischen Retikulum, die Maschinen den Ribosomen und die Gabelstapler den Vesikeln.

Ergänzungen

📌 In der Fabrikanalogie entsprechen Montagehallen den Vesikeln vom Golgi-Apparat, Kraftwerke den Mitochondrien, der Spezialzaun der Zellmembran und die Weiterverarbeitung dem Golgi-Apparat.

💡 Eselsbrücke

Stell dir die Zelle als Werk mit Steuerzentrale, Straßen, Maschinen und Kraftwerken vor.

📖 12. Modelle der Biomembran

★ Unbedingt können

• 1972 stellten S. J. Singer und G. L. Nicolson das Flüssig-Mosaik-Modell einer Biomembran auf. - Flüssig-Mosaik-(Fluid-Mosaic-)Modell

Ergänzungen

• 🔄 Der Versuch verlief in diesen Schritten: (GORDER und GRENDEL, 1925): Erythrocyten wurden in destilliertem Wasser zum Platzen gebracht., Die Membranen wurden vom ausgetretenen Hämoglobin getrennt., Die Phospholipide wurden mit Aceton extrahiert., Die Phospholipide wurden als Monolayer auf einer Wasserfläche ausgebreitet.

• 1936 entwickelten J. F. Danielli und H. Davson ein Modell zum Aufbau einer Biomembran, das später um entfaltete Proteine erweitert wurde, nachdem eine feste Haftung der Proteine an den Lipiden festgestellt worden war. - J.F. DANIELLI und H. DAVSON

💡 Eselsbrücke

Vom einschichtigen Lipidfilm zur beweglichen Lipid-Protein-Membran.

📖 13. Lipide und Membranaufbau

★ Unbedingt können

• Phospholipide gehören zu den Bausteinen aller Biomembranen und kommen bei Pro- und Eukaryoten als Membranlipide vor.

Ergänzungen

• Die genannten Membranlipide sind:
  • Phosphoglycerolipide mit R = Cholin oder anderen Gruppen
  • Glykolglycerolipide mit R = Glukose oder anderen Gruppen
  • Di-diphytanyl-diglycerol-tetraether bei Archaebakterien

💡 Eselsbrücke

Fett ist nicht gleich Phospholipid: Beim Phospholipid wird die Anordnung durch Wasser relevant.