Zellbiologie und Genetik: Grundlagen, Prozesse und Organellen

Zelltheorie: Die Grundlagen des Lebens

1. Alle lebenden Organismen bestehen aus einer oder mehreren Zellen.
2. Die Zelle ist die Grundeinheit (strukturelle und funktionelle) aller Lebewesen.
3. Jede Zelle entsteht aus einer bereits existierenden Zelle (keine Spontanerzeugung).
4. Jede unabhängige Zelle kann sich selbst ernähren, interagieren und reproduzieren, auch wenn sie in mehrzelligen Organismen mit anderen Zellen koordiniert werden muss.

Grundlegende Zellfunktionen

• Ernährung: Aufnahme von Nahrungsmitteln und Umwandlung in Nährstoffe (Baustoffe und Energie) sowie Ausscheidung von Abfallstoffen.
• Reproduktion (Vermehrung): Schaffung identischer Kopien (z. B. bei Stammzellen).
• Reaktion (Reizbarkeit): Reaktion auf äußere Reize, z. B. durch Bewegung oder Anpassung der Stoffproduktion.

Mindestbestandteile einer Zelle

Jede Zelle benötigt:

• Zellmembran
• Zytoplasma
• Genetisches Material (RNA, DNA):
  • Im Zellkern (Eukaryotische Zellen)
  • Im Zytoplasma (Prokaryotische Zellen)

Zellorganellen und Strukturen

Chloroplasten

Organell, das einzigartig für Pflanzen (und einige Protisten) ist und für die Photosynthese verwendet wird.

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Besteht aus einem komplexen Netzwerk von Röhrchen und Bläschen. Es ist verantwortlich für die Herstellung und den Transport verschiedener Substanzen.

• Raues ER: Besitzt Ribosomen.
• Glattes ER: Besitzt keine Ribosomen.

Golgi-Apparat

Ein membranöses Organell, das aus einer Gruppe abgeflachter Säcke (Zisternen) gebildet wird. Es nimmt Stoffe vom Endoplasmatischen Retikulum auf, verarbeitet sie und verpackt sie in Vesikel zur Sekretion.

Vakuolen

Membranumschlossene Organellen, die verschiedene Substanzen speichern. Sie sind in Pflanzenzellen größer und zahlreicher als in Tierzellen.

Lysosomen

Winzige Vesikel, die Verdauungsenzyme enthalten, um große Moleküle, die von der Zelle aufgenommen wurden, abzubauen.

Mitochondrien

Zylindrische oder längliche Organellen, die aus einer Doppelmembran bestehen. Sie gelten als die Kraftwerke eukaryotischer Zellen, da ihre Hauptfunktion die Energiegewinnung durch Zellatmung ist. Sie kommen in allen eukaryotischen Zellen vor.

Zilien und Geißeln

Mobile Organellen, die aus Zytoskelett-Proteinfasern bestehen und der Zelle zur Bewegung dienen.

Chromosomen

Die stark verkürzte und kondensierte Form des genetischen Materials (DNA), die hauptsächlich für den Transport und die Verteilung während der Zellteilung nützlich ist.

Nukleolus (Kernkörperchen)

Eine kugelförmige Struktur innerhalb des Zellkerns, die an der Umsetzung der genetischen Information (insbesondere der Ribosomen-Synthese) beteiligt ist.

Symbiose

Eine Beziehung zwischen zwei Lebewesen, bei der sie sich gegenseitig helfen und oft nicht in der Lage sind, getrennt voneinander zu leben (obligate Symbiose).

Zellvermehrung und Reproduktion

Es gibt zwei Hauptformen der Zellreplikation:

1. Vervielfältigung einer normalen (somatischen) Zelle (Mitose).
2. Reproduktion einer Keimzelle (Meiose), die Gameten bildet.

Mitose: Die Teilung einer normalen Zelle

Die Mitose umfasst die Teilung des Zellkerns (Karyokinese) und die anschließende Teilung des restlichen Zellkörpers (Zytokinese).

Phasen der Mitose

1. Interphase: Die Zelle führt ihre normalen Funktionen aus und bereitet sich auf die Teilung vor.
2. Prophase: Das Chromatin kondensiert zu sichtbaren Chromosomen. Der Zellkern löst sich auf. Die Zentriolen wandern zu gegenüberliegenden Polen, und der Spindelapparat beginnt sich zu bilden.
3. Metaphase: Der Spindelapparat ist vollständig ausgebildet. Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an und sind über ihre Zentromere mit den Spindelfasern verbunden.
4. Anaphase: Die Schwesterchromatiden trennen sich am Zentromer und werden von den Spindelfasern zu den entgegengesetzten Polen gezogen. Jede Seite erhält einen vollständigen Satz von Chromatiden.
5. Telophase: Die Chromosomen dekondensieren wieder zu Chromatin. Neue Kernhüllen bilden sich um die beiden Chromosomensätze. Der Spindelapparat löst sich auf.

Zytokinese (Teilung des Zellkörpers)

Die Zytokinese ist die Teilung des restlichen Zellkörpers nach der Kernteilung.

• Tierische Zellen: Erfolgt durch Einschnürung.
• Pflanzenzellen: Erfolgt durch Bildung einer Zellplatte.

Meiose: Reduktionsteilung der Keimzellen

Die Meiose ist die Zellteilung von diploiden Keimzellen (zwei Kopien jedes Chromosoms), um haploide Keimzellen (Gameten, nur eine Kopie jedes Chromosoms) zu produzieren.

Die Meiose dient zwei Hauptzwecken:

1. Reduktion der Chromosomenzahl auf die Hälfte (haploid).
2. Erzeugung genetischer Rekombination, wodurch sichergestellt wird, dass nicht alle Gameten eines Individuums identisch sind.

Die Meiose besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Teilungen: Meiose I und Meiose II.

Grundlagen der Genetik

Genetik

Die Genetik ist der Wissenschaftszweig der Biologie, der untersucht, wie erbliche Merkmale von einem Individuum auf ein anderes übertragen werden.

Gen

Ein Abschnitt der DNA im Chromatin oder in Chromosomen, der die Information zur Synthese eines bestimmten Proteins enthält, welches wiederum ein spezifisches Merkmal steuert.

Allele

Spezifische Varianten oder Ausprägungen, die ein Gen annehmen kann. Allele können gleich sein (homozygot) oder unterschiedlich (heterozygot).

Genom

Die Gesamtheit aller Gene einer typischen Art.

Genotyp und Phänotyp

• Genotyp: Die spezifische Kombination von Genen und Allelen eines Individuums.
• Phänotyp: Die beobachtbaren physikalischen Eigenschaften eines Individuums, die vom Genotyp und der Umwelt abhängen.

Erbgänge und genetischer Code

Häufige Erbgänge sind: dominant-rezessiv und kodominant.

Die erblichen Eigenschaften eines Lebewesens hängen von seinen Proteinen ab, deren Aufbau wiederum von Aminosäuren bestimmt wird. Die 20 Arten von Aminosäuren werden durch Triplett-Codons der DNA kodiert. Jedes Codon oder Triplett besteht aus einer Kombination von 3 Nukleotiden. Jedes Nukleotid kann vier verschiedene stickstoffhaltige Basen aufweisen.