Zellbiologie Grundlagen: Prokaryoten, Eukaryoten, Organellen, Biomoleküle & Zellteilung

Zellbiologie Grundlagen: Prokaryoten, Eukaryoten & Organellen

Prokaryoten

• Die Zellwand ist vollständiger und starrer.
• Ribosomen sind kleine Partikel aus Proteinen und RNA, die als Orte der Proteinsynthese fungieren.
• Besitzen keinen definierten Zellkern.
• Die Übertragung des genetischen Materials erfolgt durch direkte, mediierte Zellteilung.
• Haben ein kleineres Volumen.

Eukaryoten

• Besitzen im Allgemeinen keine Zellwand, außer Algen und Pflanzen, die eine Zellwand aufweisen.
• Ihre Ribosomen sind größer und sind an die Oberfläche des rauen Endoplasmatischen Retikulums (ER) gebunden oder frei im Zytoplasma vorhanden.
• Besitzen einen definierten Zellkern.
• Der Transfer genetischen Materials erfolgt durch Mitose.
• Haben ein größeres Volumen.

Zellorganellen und ihre Funktionen

Mitochondrium

Produziert Energie.

Ribosom

Synthetisiert Proteine.

Zellkern (Nucleus)

Enthält genetisches Material auf den Chromosomen.

Lysosomen

Enthalten Verdauungsenzyme, die beim Abbau von Substanzen helfen.

Vakuolen

Speichern Wasser und Nahrung.

Glattes Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Ist an metabolischen Reaktionen wie der Synthese von Fettsäuren und Phospholipiden beteiligt. Es ist auch wichtig für die Entgiftung von Medikamenten.

Raues Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Synthetisiert Proteine, die Teil der Plasmamembran, des Golgi-Apparats, der Lysosomen und des endoplasmatischen Retikulums selbst sind.

Chloroplasten

Führen den Photosynthese-Prozess durch, der Glukose und Sauerstoff erzeugt.

Golgi-Apparat

Reguliert das Schicksal der verschiedenen Proteine, die im rauen ER synthetisiert wurden. Hier werden auch Lysosomen und Plasmamembran-Proteine verarbeitet.

Zentriol

Zu Beginn der Zellteilung ist jedes Zentriol von radial angeordneten Fasern (Aster) umgeben. Sie sind auch mit der Bildung von Zilien und Geißeln verbunden, und in bestimmten Zellen werden diese Strukturen zur Fortbewegung oder zum Transport von Materialien verwendet.

Bioelemente und Biomoleküle

Bioelemente

Bioelemente sind die chemischen Elemente, aus denen Lebewesen bestehen. Von etwa 100 Elementen in der Natur sind über 70 in Lebewesen zu finden, wovon nur 22 in allen Organismen vorkommen. Die wichtigsten sind C, H, O, N, die etwa 96% ausmachen.

Biomoleküle

Biomoleküle sind die konstituierenden Moleküle von Lebewesen. Dazu gehören organische Moleküle, die nur von Lebewesen synthetisiert werden und eine Kohlenstoffbasis haben, sowie anorganische Moleküle, die zwar nicht lebendig sind, aber für das Leben unerlässlich sind, wie H₂O und CO₂.

Kohlenhydrate

Bestehen aus C, H, O. Beispiele: Monosaccharide (Glukose, Fruktose), Polysaccharide (Stärke).

Lipide

Bestehen hauptsächlich aus C, H, O, können aber auch N, Phosphor und Schwefel in geringeren Mengen enthalten. Beispiele: Talg, Butter, Öle.

Proteine

Bestehen aus C, H, O, N und können Phosphor und Schwefel enthalten. Sie basieren auf Aminosäuren. Beispiele: Kollagen und Fibrin.

Nukleinsäuren

Bestehen aus Monomeren, die eine stickstoffhaltige Base, eine Pentose und Phosphorsäure umfassen. Beispiele: DNA und RNA.

Zellteilung und DNA-Replikation

Binäre Spaltung

Die Zellreplikation wird durch die Replikation des bakteriellen Chromosoms eingeleitet. Zuerst wird es repliziert, und anschließend wird jede Kopie an einem anderen Teil der Zellmembran befestigt.

Wenn die Mutterzelle beginnt sich zu teilen, trennt sich auch die ursprüngliche Chromosomenreplikation. Nach der Zytokinese entstehen zwei Zellen mit dem gleichen genetischen Aufbau.

Mitose

Der Prozess, bei dem aus einer Mutterzelle zwei Tochterzellen mit der gleichen Anzahl und Art der Chromosomen wie die Mutterzelle entstehen. Es ist ein kontinuierlicher Prozess, der vier Phasen umfasst:

Phasen der Mitose

• Prophase: Das Chromatin kondensiert spiralförmig, sodass die Chromosomen sichtbar werden. Die Kernmembran und der Nukleolus verschwinden. Jedes Zentriol bewegt sich zu entgegengesetzten Polen der Zelle und ist durch Asterfasern verbunden, die die mitotische Spindel bilden.
• Metaphase: Die Zentriolen besetzen entgegengesetzte Pole, und die Chromosomen richten sich an der Spindel in der Äquatorialebene aus (Äquatorialplatte).
• Anaphase: Die Zentromere teilen sich, und jedes Tochterzentromer bewegt sich mit einem Chromatid zur gegenüberliegenden Seite der Zelle. Die Resorption der Spindel beginnt. Die Bereiche der Chromosomen, die ein einziges Chromatid haben, werden als anaphasische Chromosomen bezeichnet. Wenn ursprünglich 3 Chromatiden vorhanden waren, sind es jetzt 6 Chromatiden. Am Ende gibt es zwei Gruppen von je 3 Chromatiden.
• Telophase: Die Chromosomen entfalten sich durch die Dekondensation des Chromatins. Neue Kernhüllen bilden sich um die Chromosomensätze an jedem Pol.

Meiose

Die Meiose ist ein Zellteilungsprozess, der die Anzahl der Chromosomen in der Mutterzelle halbiert und vier haploide Tochterzellen produziert.

Phasen der Meiose

• Prämeiotische Interphase: Die DNA wird verdoppelt.
• Prophase I: Homologe Chromosomen paaren sich (Synapsis) und bilden Tetraden (Crossing-over). Die Kernhülle wird abgebaut.
• Metaphase I: Die Tetraden richten sich in der Äquatorialebene aus.
• Anaphase I: Homologe Chromosomen werden getrennt und bewegen sich zu entgegengesetzten Polen.
• Telophase I: Ein Satz von Chromosomen hat jeden Pol erreicht. Die Zytokinese beginnt.
• Prophase II: Die Chromosomen kondensieren erneut.
• Metaphase II: Die Chromosomen richten sich in der Äquatorialebene aus.
• Anaphase II: Schwesterchromatiden trennen sich und bewegen sich zu den entgegengesetzten Polen.
• Telophase II: An jedem Pol bilden sich neue Zellkerne.
• Ergebnis: Vier haploide Zellen (Gameten).

DNA-Replikation

Die DNA-Replikation ist der Prozess, bei dem DNA vervielfältigt wird. Es ist ein semikonservativer Prozess, was bedeutet, dass die finalen Moleküle einen neuen, neu synthetisierten Strang und einen alten, komplementären Strang enthalten.

Die DNA wird von DNA-Polymerasen repliziert, wobei ein vorhandener Strang als Matrize für die Synthese des komplementären Strangs unter Verwendung der entsprechenden Desoxynukleotidtriphosphate dient. Die entstehende DNA-Kette wird immer in 5' → 3' Richtung synthetisiert. Das bedeutet, dass das hinzugefügte Nukleotid über seine Phosphatgruppe an die freie 3'-OH-Gruppe des wachsenden Strangs bindet. Diese Verbindung erfolgt zwischen den Nukleotiden, die Pentosen enthalten.