Grundlagen der Zellbiologie: Ernährung und Stoffwechsel

Ernährung

Die Ernährung umfasst den gesamten Prozess, durch den Organismen Energie und Materie mit ihrer Umgebung austauschen, um ihre interne Organisation zu erhalten und ihre vitalen Aufgaben zu erfüllen. Dies beinhaltet die Aufnahme von Einsatzstoffen, deren Umwandlung und die Ausscheidung von Abfallprodukten.

Intrazelluläre Verdauung

Die Zelle nimmt Nahrungsteilchen in einem Vesikel auf, das als Phagosom bezeichnet wird. Die Membran des Phagosoms verschmilzt mit einem Lysosom, das Verdauungsenzyme enthält. Es bildet sich eine Verdauungsvakuole, in der die Nahrung verdaut wird. Die Nährstoffe gelangen in das Zytoplasma, während unverdaute Reste nach außen ausgeschieden werden.

Extrazelluläre Verdauung

Die Membran eines Lysosoms verschmilzt mit der Plasmamembran und gibt seine enzymatischen Inhalte außerhalb der Zelle ab. Die Enzyme spalten große Lebensmittelmoleküle in kleinere Fragmente und einfache Nährstoffe, die anschließend durch die Plasmamembran in das Zytoplasma aufgenommen werden können.

Ernährungsformen

• Autotroph: Zellen, die organische Stoffe aus einfachen anorganischen Nährstoffen (Wasser, Mineralien, CO2) synthetisieren können, indem sie Lichtenergie oder chemische Energie nutzen (z. B. Algen).
• Heterotroph: Zellen, die organische Substanzen direkt aus der Umwelt oder durch die Aufnahme und Verdauung anderer Lebewesen beziehen.

Transportmechanismen

Passiver Transport

Erfolgt ohne Energieverbrauch entlang des Konzentrationsgradienten (vom Bereich höherer zum Bereich niedrigerer Konzentration). Mechanismen: einfache und erleichterte Diffusion.

Aktiver Transport

Moleküle oder Ionen bewegen sich gegen den Konzentrationsgradienten. Dies erfordert Energie in Form von ATP und erfolgt durch spezielle Protein-Pumpen (z. B. Natrium-Kalium-Pumpe).

Transport großer Moleküle

• Exozytose: Ausschleusung von Abfallprodukten oder Sekreten.
• Endozytose: Aufnahme großer Partikel in die Zelle.

Stoffwechsel (Metabolismus)

Die Gesamtheit der chemischen Reaktionen, die durch Enzyme in den Zellen katalysiert werden. Er dient dem Austausch von Materie und Energie, dem Aufbau zellulärer Strukturen und der Bereitstellung von Energie.

Oxidations-Reduktions-Prozesse

Bei der Oxidation verliert ein Elektronendonator Elektronen. Bei der Reduktion nimmt ein Molekül Elektronen auf (Elektronenakzeptor).

Energievermittler

• ATP: Ein Nukleotid bestehend aus Adenin, Ribose und drei Phosphatgruppen. Es dient als Energieträger zwischen katabolen und anabolen Reaktionen.
• Elektronenträger: Coenzyme wie NAD+, NADP+ und FAD, die reversible Redox-Zustände annehmen können.

Katabolismus (Abbau)

Exergonische Reaktionen, bei denen komplexe Moleküle abgebaut und oxidiert werden, um Energie, Elektronen und H+ freizusetzen.

• Anaerobe Gärung: Teilweise Oxidation von Glucose ohne Sauerstoff (z. B. alkoholische Gärung bei Bier/Wein oder Milchsäuregärung bei Joghurt/Käse).
• Zellatmung: Vollständige Oxidation von Glucose in Gegenwart von O2. Der Prozess liefert Energie für die Synthese von 38 ATP-Molekülen.
• Glykolyse: Abbau von Glucose zu Brenztraubensäure unter Bildung von ATP und NADH.
• Krebs-Zyklus: Zyklischer Prozess in der mitochondrialen Matrix, bei dem Acetyl-CoA zu CO2 oxidiert wird.

Anabolismus (Aufbau)

Endergonische Prozesse, die Energie, Elektronen und H+ benötigen, um komplexe Moleküle aus einfachen Bausteinen zu synthetisieren.

• Photosynthese: Anaboler Prozess, bei dem fotoautotrophe Zellen Glucose aus anorganischen Stoffen unter Nutzung von Lichtenergie herstellen.
• Chemosynthese: Synthese organischer Substanzen aus anorganischen Stoffen unter Nutzung der Energie chemischer Reaktionen.

Zelluläre Reaktionen und Bewegung

Organismen reagieren auf Veränderungen in ihrer Umgebung. Bewegungsformen werden als Taktismen bezeichnet.

• Wimpern und Geißeln: Fadenförmige Strukturen, die der Fortbewegung dienen.
• Amöboide Bewegung: Fortbewegung durch Pseudopodien, die durch das Zusammenspiel von Aktin und Myosin im Zytoplasma gesteuert werden.