Grundlagen der Biologie: Zelle, Genetik und Stoffwechsel

pH-Regulation und Puffersysteme

Die Regulierung des pH-Werts ist essenziell für das Leben. Sie erfordert, dass zelluläre und organische Flüssigkeiten innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden. Andernfalls würde dies zu einer Strukturveränderung vieler Biomoleküle und zur Alteration chemischer Reaktionen führen.

In wässrigen Lösungen sind lebende Organismen auf Puffersysteme angewiesen, die aus schwachen Säuren und ihren konjugierten Basen bestehen.

Wichtige Puffersysteme

• Anorganisches Bicarbonat: HCO₃^- + H⁺ ⇌ H₂CO₃ ⇌ CO₂ + H₂O
• Phosphat: HPO₄^2- + H⁺ ⇌ H₂PO₄^-

Wichtige Zellorganellen und ihre Funktionen

Ribosomen

Membranlose Organellen, in denen die Proteinsynthese (Translation der genetischen Information in mRNA) stattfindet.

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Ein komplexes Netzwerk von miteinander verbundenen Membranen, das sich in das Zytoplasma erstreckt.

• Raues ER: Proteinsynthese und Glykosylierung.
• Glattes ER: Synthese von Phospholipiden, Cholesterin und Steroidhormonen; beteiligt an der Entgiftung liposolubler Substanzen.

Golgi-Apparat (Dictyosomen)

Besteht aus Dictyosomen (Cis- und Trans-Seite). Beteiligt an Transportprozessen.

Interveniert bei Sekretionsprozessen, dem Recycling der Plasmamembran, der Glykosylierung sowie der Bildung von Lysosomen und Vakuolen.

Lysosomen

Membranvesikel mit hydrolytischen Enzymen, zuständig für den intrazellulären Verdau von Molekülen:

• Heterophagie: Verdau exogener Moleküle.
• Autophagie: Verdau endogener Moleküle.

Vakuolen

Sehr große, flüssigkeitsgefüllte Blasen, umgeben von einer Membran (Tonoplast). Sie speichern eine Vielzahl von Stoffen, haben Magen-Aktivität, regulieren den Turgor und erhöhen die Größe der Pflanzenzelle.

Peroxisomen

Membranöse Organellen, die Enzyme (Oxidase und Katalase) enthalten. Sie führen Oxidationsreaktionen durch und sind an Entgiftungsreaktionen beteiligt.

• Glyoxysomen: (In Fettsamen) Wandeln Fett in Zucker um, um die Embryonalentwicklung zu ermöglichen.

Zellteilung: Mitose und Meiose

Mitose

Bildung von Tochterkernen mit der gleichen Anzahl der Chromosomen wie die Mutterzelle (zwei Kerne pro Zelle).

Biologische Bedeutung der Mitose

• Generiert keine Variabilität.
• Dient der Reparatur von Gewebe und dem Wachstum mehrzelliger Organismen.
• Zelluläre Reproduktion.

Meiose

Bildung von Tochterkernen mit der Hälfte der Chromosomenzahl der Mutterzelle (vier haploide Kerne pro diploidem Mutterkern).

Biologische Bedeutung der Meiose

• Konstanthaltung der Chromosomenzahl einer Art.
• Generiert Variabilität (wichtig für die Evolution).

Die Zelltheorie (Schleiden und Schwann)

Aufgestellt von Schleiden und Schwann (1838–1839).

Die Elementarzelle ist die strukturelle und funktionelle Grundeinheit aller Lebewesen.

Prinzipien der Zelltheorie

Lebewesen werden von einer einzigen Zelle oder mehreren Zellen gebildet. Die Zelle ist die elementarste Einheit des Lebens und besitzt alle Funktionen eines Lebewesens.

Photosynthese und Photorespiration

Faktoren der Photosynthese-Aktivität

• Lichtintensität
• CO₂-Konzentration
• Temperatur
• Photoperiode
• Feuchtigkeit
• Konzentration oder Farbe des Lichts

Das Problem der Photorespiration

Das Enzym Rubisco katalysiert normalerweise die Bindung von CO₂. Wenn die O₂-Konzentration jedoch deutlich über der CO₂-Konzentration liegt, kombiniert sich Rubisco mit O₂ (Oxidation).

Folge: Der Calvin-Zyklus findet nicht statt, und es wird keine Glukose produziert. Dies resultiert in einem Energieverlust für die Pflanze.

Ursache: Tritt auf, wenn die Pflanze ihre Spaltöffnungen schließt, um übermäßigen Wasserverlust durch Transpiration zu verhindern. Dies verhindert gleichzeitig das Eindringen von CO₂ und den Austritt von O₂.

Der Genetische Code

Der genetische Code ist die Korrelation zwischen einem Basentriplett der mRNA und der entsprechenden Aminosäure (AA) des Proteins.

Besonderheiten des Genetischen Codes

• Er ist fast universell.
• Umfasst ein Start-Triplett.
• Er ist nicht zweideutig (jedes Triplett codiert nur eine einzige AA).
• Er ist entartet (mehrere Tripletts können dieselbe AA codieren).
• Die Tripletts werden von Anfang bis Ende abgelesen (kommafrei).