Grundlagen der Zellbiologie: Mitose, Meiose und Stoffwechsel

Mitose: Die Kernteilung

Die Mitose ist die Teilung des Zellkerns, bei der zwei Kopien der DNA entstehen. Sie besteht aus mehreren Phasen:

• Prophase: Bevor das verstreute Chromatin beginnt zu kondensieren.
• Metaphase: Höchstgrad der Kondensation; die Chromosomen sind deutlich sichtbar.
• Anaphase: Die Chromatiden jedes Chromosoms werden getrennt und jeweils ein Chromatid eines jeden Paares wird zu den jeweiligen Zellpolen gezogen.
• Telophase: Die Chromatiden werden in Tochterchromosomen umgewandelt, von einer Kernmembran umgeben und beginnen sich zu dekondensieren.

Schließlich entstehen zwei Tochterkerne. Die Teilung des Zytoplasmas (Zytokinese) ist die finale Phase der Mitose. In tierischen Zellen bilden Filamente einen Ring, der die beiden Tochterzellen trennt. In pflanzlichen Zellen bilden sich Septen (Fragmoplasten) zwischen den Tochterzellen.

Meiose: Die geschlechtliche Zellteilung

Die Meiose besteht aus zwei Teilungsschritten. Der wichtigste Unterschied zur Mitose tritt in der Prophase der ersten Teilung auf.

Erste meiotische Teilung

• Prophase 1: Homologe Chromosomen paaren sich und tauschen genetisches Material aus (Crossing-over).
• Metaphase 1: Die Metaphaseplatte wird durch zwei homologe Chromosomen gebildet.
• Anaphase 1: Trennung der homologen Chromosomen; jeweils ein Chromosom jedes Paares wandert zu einem verschiedenen Zellpol.
• Telophase 1: Die Kerne der beiden Tochterzellen bilden sich.

Zweite meiotische Teilung

Ihre Funktion ist es, die Chromatiden jedes Chromosoms zu trennen.

• Prophase 2: Vorbereitung der zweiten Teilung.
• Metaphase 2: Die Chromosomen der Tochterzellen bilden eine einfache Metaphaseplatte.
• Anaphase 2: Die Chromatiden jedes Chromosoms werden getrennt und wandern zu ihren jeweiligen Zellpolen.
• Telophase 2: Es entstehen sexuelle Gameten.

Besonderheiten sind, dass es sich um haploide Zellen handelt, was für die biologische Bedeutung des Genpools entscheidend ist.

Eukaryotische und prokaryotische Zellen

• Eukaryotische Zellen: Sie besitzen DNA im Zellkern, der durch eine doppelte Membran vom Zytoplasma getrennt ist (z. B. tierische und pflanzliche Zellen).
• Prokaryotische Zellen: Die DNA liegt verstreut im Zytoplasma vor (z. B. Bakterien).

Anabolismus und Katabolismus

• Anabolismus: Aufbau von einfachen zu komplexen Molekülen unter Verbrauch von ATP (z. B. die Gluconeogenese).
• Katabolismus: Abbau von komplexen zu einfachen Molekülen zur Gewinnung von ATP (z. B. die Glykolyse).

Wichtige Biomoleküle

Glucide (Kohlenhydrate)

CHO-Verbindungen, klassifiziert als Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide. Ihre Funktionen sind:

• Energie: Glucose ist der am häufigsten verwendete Zucker der Zellen.
• Reserve: Stärke als Reserve in Pflanzen und Glykogen bei Tieren.
• Struktur: Cellulose in pflanzlichen Zellwänden, Chitin in Pilzen und Insekten sowie Ribose in Nukleinsäuren.

Lipide

CHO-Verbindungen, fast unlöslich in Wasser. Klassifizierung: Fette, Wachse, Phospholipide und Steroide.

• Energie: Hauptspeicher in Form von tierischem Fett.
• Regulation: Einige Vitamine und Hormone sind Steroide, die wichtige Prozesse regeln.
• Struktur: Phospholipide schützen die Zelle als Bestandteil der Membran.

Proteine

Organische Biomoleküle aus CHON-Atomen, unterteilt in Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur. Funktionen:

• Struktur: Kollagen (Widerstandskraft von Knochen und Knorpel), Keratin (Nägel und Haare).
• Transport: Hämoglobin transportiert Sauerstoff im Blut.
• Regulation: Insulin reguliert den Blutzucker.
• Kontraktion: Muskelkontraktion.
• Abwehr: Antikörper schützen den Körper.
• Enzyme: Wirken als Biokatalysatoren.

Nukleinsäuren

Biomoleküle aus CONP-Atomen, unterteilt in DNA und RNA.

• DNA: Besteht aus zwei Nukleotidketten; die Struktur ist ein linearer Doppelstrang.
• RNA: Besteht aus einer Nukleotidkette, vorkommend im Kern und Zytoplasma.
  • Messenger-RNA (mRNA): Kopiert DNA-Informationen für die Ribosomen.
  • Ribosomale RNA (rRNA): Teil der Ribosomenstruktur.
  • Transfer-RNA (tRNA): Transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen für den Proteinaufbau.

Ernährung, Gärung und Zellatmung

• Autotrophe Ernährung: Produktion organischer Stoffe aus anorganischen (z. B. photosynthetische Organismen).
• Heterotrophe Ernährung: Aufnahme organischer Stoffe von außen (z. B. Tierreich).
• Gärung: Kataboler Prozess ohne Sauerstoff zur Gewinnung von ATP. Endprodukt ist organische Substanz (z. B. Ethanol); die Energieeffizienz ist geringer als bei der Zellatmung.
• Zellatmung: Kataboler Prozess in drei Teilen:
  1. Umwandlung in kleinere Moleküle.
  2. Vollständige Oxidation organischer Stoffe zu anorganischen Stoffen.
  3. Abschluss in der inneren Mitochondrienmembran (Elektronentransportkette).

Bestandteile der tierischen Zelle

• Plasmamembran: Grenze der Zelle und Stoffaustausch.
• Zytoskelett: Formgebung und Bewegung.
• Zytoplasma: Unterteilt in Organellen.
• Zentrosom: Enthält ein Paar Zentriolen.
• Ribosomen: Zuständig für die Proteinherstellung.
• Endoplasmatisches Retikulum (ER): Das RER besitzt Ribosomen, das REL ist frei von Ribosomen.
• Golgi-Apparat: Speicherung und Modifikation.
• Lysosomen: Verantwortlich für die Verdauung.
• Mitochondrien: Gewinnung von ATP.
• Zellkern (Nucleus): Größtes Organell, durch eine perforierte Membran isoliert, um Austausch mit dem Zytoplasma zu ermöglichen.

Besonderheiten pflanzlicher Zellen

Pflanzliche Zellen unterscheiden sich von tierischen dadurch, dass sie keine Zentriolen besitzen, dafür aber eine Zellwand, Chloroplasten, eine große Vakuole und Chlorophyll aufweisen.