Biologie Grundlagen: Zellatmung, Meiose, Genetik & Zellstrukturen

Zellatmung: Energieproduktion der Zelle

Die Zellatmung ist ein fundamentaler Stoffwechselprozess, bei dem organische Substanzen, hauptsächlich Glukose, abgebaut werden, um Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) zu gewinnen.

Gesamtgleichung der Zellatmung

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP

Aerober Prozess

Die aerobe Zellatmung findet in Anwesenheit von Sauerstoff statt und umfasst mehrere Schritte:

Glykolyse

Die Glykolyse ist der erste Schritt der Glukosezersetzung. Sie findet im Zytoplasma statt und wandelt ein Glukosemolekül in zwei Moleküle Pyruvat um:

C₆H₁₂O₆ → 2 Pyruvat

Dabei entstehen auch geringe Mengen ATP und NADH.

Krebs-Zyklus & Elektronentransportkette

Das Pyruvat wird in den Mitochondrien weiterverarbeitet. Hier wird es in verschiedene Zwischenprodukte umgewandelt, wobei CO₂, Protonen und Elektronen freigesetzt werden. Die Elektronen und Protonen werden über die Elektronentransportkette entlang der inneren Mitochondrienmembran transportiert. Sauerstoff dient dabei als letzter Akzeptor für die Elektronen und Protonen, wodurch Wasser entsteht. Dieser Prozess ist eng mit der Bildung großer Mengen ATP verbunden.

Meiose: Reduktionsteilung für die Fortpflanzung

Die Meiose ist ein spezieller Zellteilungsprozess, bei dem eine diploide Zelle die Anzahl ihrer Chromosomen halbiert. Dies ist entscheidend für die geschlechtliche Fortpflanzung, da so haploide Keimzellen (Gameten) entstehen.

Phasen der Meiose

Die Meiose besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Teilungen:

1. Meiose I (Reduktionsteilung): Hierbei wird die Chromosomenzahl halbiert.
2. Meiose II (Äquationsteilung): Diese ähnelt einer normalen Mitose.

Meiose I (Reduktionsteilung)

Meiose I umfasst mehrere Phasen:

• Prophase I: Jedes Chromosom dupliziert sich und besteht nun aus zwei Schwesterchromatiden. Homologe Chromosomen paaren sich (Synapsis), und es kommt zum Austausch von genetischem Material (Crossing-over). Dies führt zu einer Neukombination der Gene und genetischer Vielfalt.
• Metaphase I: Die homologen Chromosomenpaare ordnen sich in der Äquatorialebene der Zelle an.
• Anaphase I: Die homologen Chromosomenpaare werden voneinander getrennt und wandern zu entgegengesetzten Zellpolen.
• Telophase I: An den Zellpolen bilden sich neue Zellkerne, und die Zelle teilt sich. Am Ende der Meiose I entstehen zwei haploide Zellen, die jeweils Chromosomen mit zwei Chromatiden enthalten.

Meiose II (Äquationsteilung)

Nach der Meiose I folgt die Meiose II, die einer Mitose ähnelt:

• Prophase II: Die Chromosomen kondensieren erneut.
• Metaphase II: Die Chromosomen ordnen sich einzeln in der Äquatorialebene an.
• Anaphase II: Die Schwesterchromatiden werden am Zentromer getrennt und wandern zu entgegengesetzten Zellpolen.
• Telophase II: An den Zellpolen dekondensieren die Chromosomen, und neue Kernhüllen bilden sich. Anschließend teilt sich das Zytoplasma (Zytokinese), wodurch insgesamt vier haploide Tochterzellen entstehen.

Chromatin und Genetischer Code

Chromatin: DNA-Struktur

Chromatin ist die Substanz, aus der die Chromosomen bestehen. Es setzt sich hauptsächlich aus DNA und Proteinen (Histonen) zusammen. Die DNA-Komponenten bestehen aus Nukleotiden, die wiederum aus drei Molekülen aufgebaut sind: Phosphorsäure, einem Zucker (Desoxyribose) und einer Purin- oder Pyrimidinbase.

Der Genetische Code

Der genetische Code ist ein System, das durch Basentripletts (Codons) die 20 verschiedenen Aminosäuren codiert, aus denen Proteine aufgebaut sind. Beispiele für Basensequenzen sind AGTTG, GAGGT oder TTAA.

Mendelsche Genetik: Grundlagen der Vererbung

Gregor Mendel gilt als Begründer der modernen Vererbungslehre. Er entwickelte statistische Methoden zur Analyse der Vererbung und prägte wichtige Begriffe:

Grundbegriffe der Genetik

• Reinerbig (homozygot): Ein Organismus besitzt für ein bestimmtes Merkmal zwei identische Allele. Bei Inzucht bleiben die Nachkommen über Generationen hinweg gleich.
• Hybrid (mischerbig/heterozygot): Ein Organismus entsteht aus der Kreuzung zweier reinerbiger Individuen mit unterschiedlichen Merkmalen.
• Parentalgeneration (P-Generation): Die Elterngeneration.
• Filialgeneration (F-Generation): Die Nachkommengeneration (z.B. F1, F2).

Zeigt ein Hybrid das Merkmal eines Elternteils, so ist dieses dominant, das andere rezessiv.

Mendelsche Regeln (Beispiel)

1. Mendelsche Regel (Uniformitätsregel): Kreuzt man zwei reinerbige Individuen, die sich in einem Merkmal unterscheiden (z.B. reine gelbe mit reinen grünen Erbsen), so sind alle Nachkommen der F1-Generation in diesem Merkmal uniform (z.B. 100% gelb, wenn gelb dominant ist).

2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel): Kreuzt man die Individuen der F1-Generation untereinander, so spalten sich die Merkmale in der F2-Generation in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf (z.B. 3/4 gelb und 1/4 grün).

Prokaryoten: Zelltypen ohne Zellkern

Prokaryoten sind einzellige Organismen, deren Zellen keinen membranumhüllten Zellkern und keine weiteren membranumhüllten Organellen besitzen. Beispiele hierfür sind Bakterien und Archaeen.

Merkmale von Prokaryoten

• Äußere Morphologie: Prokaryoten sind in der Regel klein und haben verschiedene Formen (z.B. Kokken (kugelförmig), Stäbchen (zylindrisch) und Vibrionen (kommaförmig)).
• Innerer Aufbau:
  • Die Zellwand besitzt Eigenschaften, die die Wirkung von Antibiotika beeinflussen können.
  • Sie besitzen keine membranumhüllten Organellen, aber die Zellmembran kann Einstülpungen (Mesosomen) aufweisen, wo die Atmung stattfindet, ähnlich den Mitochondrien.
  • Bakterien synthetisieren Proteine an Ribosomen, die kleiner sind (70S) als die von Eukaryoten (80S).
  • Ihre DNA liegt meist als ringförmiges Chromosom vor. Zusätzlich können sie kleine, ringförmige DNA-Moleküle, sogenannte Plasmide, enthalten, die oft Gene für Antibiotikaresistenzen tragen.

Funktionen von Prokaryoten

Ernährung

Prokaryoten können sich auf vielfältige Weise ernähren:

• Autotroph: Sie produzieren ihre eigene Nahrung, entweder durch Photosynthese (Lichtenergie) oder Chemosynthese (chemische Energie).
• Heterotroph: Sie nehmen organische Stoffe aus ihrer Umgebung auf.

Anpassung & Überleben

Prokaryoten benötigen bestimmte Temperaturbereiche zum Überleben. Viele können jedoch unter ungünstigen Bedingungen widerstandsfähige Sporen bilden, um zu überdauern.

Gärung: Anaerober Stoffwechselweg

Gärung ist ein anaerober Stoffwechselprozess, bei dem Glukose durch Glykolyse zu Pyruvat abgebaut wird. Ohne Sauerstoff wird Pyruvat dann zu Endprodukten wie Alkohol (alkoholische Gärung) oder Milchsäure (Milchsäuregärung) umgewandelt, wobei nur wenig ATP entsteht. Dieser Prozess findet im Zytoplasma statt und benötigt keine Mitochondrien.

Zellreproduktion: Vermehrung von Zellen

Prokaryotische Zellteilung

Prokaryoten vermehren sich hauptsächlich durch Zweiteilung (binäre Spaltung). Dabei wird das genetische Material dupliziert, und die Zelle teilt sich in zwei identische Tochterzellen.

Eukaryotische Zellteilung: Mitose

Die Zellkernteilung bei Eukaryoten erfolgt durch Mitose, die in vier Hauptphasen unterteilt wird:

Phasen der Mitose

• Prophase: Das Chromatin kondensiert zu sichtbaren Chromosomen, die sich zuvor verdoppelt haben und aus zwei Schwesterchromatiden bestehen. Die Kernhülle löst sich auf, und die Zentriolen wandern zu den Zellpolen, wo sie den Spindelapparat bilden.
• Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene (Metaphasenplatte) der Zelle an.
• Anaphase: Die Schwesterchromatiden werden am Zentromer getrennt und wandern als einzelne Chromosomen zu entgegengesetzten Zellpolen.
• Telophase: An den Zellpolen dekondensieren die Chromosomen, und neue Kernhüllen bilden sich um die beiden Chromosomensätze. Anschließend teilt sich das Zytoplasma (Zytokinese), wodurch zwei genetisch identische Tochterzellen entstehen.

Zellstrukturen: Aufbau von Eukaryotenzellen

Eukaryotische Zellen sind komplexer aufgebaut als prokaryotische Zellen und besitzen membranumhüllte Organellen.

Tierische Eukaryotenzellen

Tierische Eukaryotenzellen bestehen aus drei Hauptteilen:

• Plasmamembran: Eine dünne Hülle, die die Zelle umgibt und den Stoffaustausch reguliert. Manchmal treten auf ihrer Oberfläche dünne Verlängerungen (z.B. Mikrovilli, Zilien) auf, die der Bewegung oder der Interaktion mit der Umgebung dienen können.
• Zytoplasma: Der gesamte Zellinhalt außerhalb des Zellkerns. Es ist eine viskose Flüssigkeit (Zytosol), in der organische Substanzen gelöst sind und in der sich die Zellorganellen befinden.
• Zellkern (Nucleus): Die größte und sichtbarste Zellstruktur. Sein Inhalt ist durch eine doppelte Membran (Kernhülle) vom restlichen Zytoplasma getrennt. Er enthält das genetische Material (DNA).

Wichtige Organellen tierischer Zellen

• Mitochondrien: Oval geformt, mit Doppelmembran. Sie sind die „Kraftwerke der Zelle“ und für die Energieversorgung (ATP-Produktion durch Zellatmung) verantwortlich.
• Golgi-Apparat: Besteht aus abgeflachten Membransäcken (Zisternen) und Vesikeln. Er modifiziert, sortiert und verpackt Proteine und Lipide, die im Endoplasmatischen Retikulum hergestellt wurden, für den Transport innerhalb oder außerhalb der Zelle.
• Centriolen: Beteiligt an der Organisation des Zytoskeletts und der Zellteilung bei tierischen Zellen.
• Endoplasmatisches Retikulum (ER): Ein Netzwerk aus Membransäcken und Kanälen, das sich durch das Zytoplasma zieht. Das raue ER ist mit Ribosomen besetzt und an der Proteinsynthese beteiligt. Das glatte ER ist an der Lipidsynthese und Entgiftung beteiligt.
• Lysosomen: Membranumhüllte Vesikel, die Verdauungsenzyme enthalten und für den Abbau von Zellbestandteilen und Fremdstoffen zuständig sind. Sie können auch am programmierten Zelltod beteiligt sein.
• Zytoskelett: Ein Netzwerk aus Proteinfasern, das der Zelle Form und Stabilität verleiht und an der Bewegung beteiligt ist.

Pflanzliche Eukaryotenzellen

Pflanzliche Zellen besitzen zusätzlich zu den tierischen Zellstrukturen einige spezifische Organellen:

Wichtige Organellen pflanzlicher Zellen

• Zellwand: Eine starre äußere Schicht, die der Zelle Stabilität und Schutz verleiht.
• Vakuolen: Große, membranumhüllte Blasen, die Wasser, Nährstoffe und Abfallstoffe speichern und den Turgor der Pflanzenzelle aufrechterhalten.
• Chloroplasten: Ovale Organellen mit dem grünen Pigment Chlorophyll, in denen die Photosynthese stattfindet.

Chromosomen und Karyotyp

Chromosomen als Informationsträger

Chromosomen sind die Träger der genetischen Information. Die Hauptkomponente des Zellkerns sind Chromatin-Filamente, die sich während der Zellteilung zu Chromosomen verdichten. Sie unterscheiden sich in Form, Größe und Anzahl. Alle Individuen einer Art haben die gleiche Anzahl von Chromosomen.

Der Karyotyp

Der Karyotyp ist der vollständige Chromosomensatz eines Individuums. Er ist auch die geordnete Darstellung dieser Chromosomen nach Größe und Form.

Menschlicher Karyotyp

Menschliche Zellen sind diploid und besitzen 46 Chromosomen, die in 23 homologen Paaren gruppiert sind.

Männlicher Karyotyp

Männliche Zellen haben 22 Paare homologer Autosomen (Körperchromosomen) und ein Paar Geschlechtschromosomen (XY).

Weiblicher Karyotyp

Weibliche Zellen haben 22 Paare homologer Autosomen und ein Paar Geschlechtschromosomen (XX).

Haploide Zellen

Haploide Zellen sind Zellen, die einen einfachen Chromosomensatz (23 Chromosomen beim Menschen) besitzen, wobei jedes Chromosom einzigartig ist und keine homologen Paare bildet (z.B. Keimzellen wie Spermien und Eizellen).

Gene und Genom

Chromosomen sind die Träger der genetischen Information. Der Abschnitt eines Chromosoms, der die Information für ein bestimmtes Merkmal trägt, wird Gen genannt. Die Gesamtheit aller Gene eines Organismus bildet das Genom.