Zellbiologie Grundlagen: Zellatmung & Zellzyklus
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Zellatmung: Energieproduktion in Zellen
Die Atmung wird normalerweise mit dem Austausch von Gasen assoziiert. Die Aufnahme und Abgabe von Gasen findet jedoch auch im Inneren einzelner Zellen von Tieren oder Pflanzen statt, oder sogar innerhalb derselben Zelle bei einzelligen Organismen. Aus diesem Grund spricht man von Zellatmung.
Der Bindungsbruch während der Zellatmung erfolgt in einer Abfolge von Schritten, die von verschiedenen Enzymen katalysiert werden. Dies ermöglicht eine schrittweise Freisetzung von Energie. Diese Energie wird nicht in Licht umgewandelt, sondern bleibt teilweise in Form von ATP-Molekülen gespeichert, während der Rest als Wärme abgeführt wird.
Phasen der Zellatmung
Die erste Stufe, die Glykolyse, findet in der Matrix des Zytoplasmas statt, wo Enzyme die einzelnen Schritte katalysieren. Der Krebs-Zyklus und die Atmungskette finden in den Mitochondrien statt.
Glykolyse: Der Start der Energieproduktion
Bei der Glykolyse wird Glucose nach einer Reihe von Schritten in zwei Moleküle mit jeweils drei Kohlenstoffatomen (Brenztraubensäure) aufgeteilt. Diese Aufteilung setzt Energie frei, die die Bildung von zwei ATP-Molekülen und die Freisetzung von Wasserstoffatomen ermöglicht.
Der Krebs-Zyklus: Weiterer Energieabbau
Die beiden Brenztraubensäure-Moleküle (mit jeweils drei Kohlenstoffatomen), die aus dem Glucose-Abbau stammen, enthalten noch viel Energie. In Gegenwart von Sauerstoff gelangt die Brenztraubensäure durch die Membranen der Mitochondrien, wo ihr weiterer Abbau stattfindet.
Die 3-Kohlenstoff-Verbindungen werden durch den Verlust von Kohlendioxid-Molekülen in 2-Kohlenstoff-Verbindungen umgewandelt, die aus der Zelle entfernt werden. Dabei werden auch Wasserstoffatome freigesetzt.
Das 2-Kohlenstoff-Molekül verbindet sich mit einer 4-Kohlenstoff-Substanz, wodurch Zitronensäure mit sechs Kohlenstoffatomen gebildet wird. Hier beginnt ein zyklischer Prozess, der zur Bildung weiterer Kohlenstoff-Moleküle, zur Produktion von ATP und zur Freisetzung von Wasserstoffatomen führt.
Die Atmungskette: Maximale ATP-Produktion
Als Ergebnis der beiden vorangegangenen Schritte ist das Glucose-Molekül vollständig gespalten und hat Kohlendioxid-Moleküle gebildet.
Die Wasserstoffatome (die durch sukzessive Oxidation der Glucose-Moleküle entstanden sind) kombinieren sich mit Sauerstoff, um Wasser zu bilden. Diese Kombination ist jedoch nicht unmittelbar. Die Wasserstoff-Elektronen werden durch eine Reihe von Substanzen transportiert, die wie eine Treppe organisiert sind.
Beim Abstieg von einer Stufe zur nächsten bewegen sich die Elektronen von einem hohen Energieniveau zu einem niedrigeren, bis sie sich schließlich mit dem Sauerstoff verbinden.
Der Zellzyklus: Leben und Vermehrung der Zelle
Der Zellzyklus ist die Zeitspanne vom Beginn einer Zellteilung bis zur Entstehung neuer Zellen aus dieser Teilung. Er besteht aus zwei Hauptphasen: der Interphase und der Zellteilung.
Die Interphase: Vorbereitung auf die Zellteilung
Die Interphase besteht aus drei Phasen: G1-Phase, S-Phase und G2-Phase.
Phasen der Interphase
- G1-Phase: Die Zelle nimmt an Größe zu, verdoppelt ihre zytoplasmatischen Organellen und zeigt eine intensive Stoffwechselaktivität.
- S-Phase: Das genetische Material wird dupliziert; die DNA wird repliziert.
- G2-Phase: Die Zelle hat ihre normale Größe erreicht und alle notwendigen Voraussetzungen für den Beginn der Zellteilung geschaffen.
Zellteilung: Entstehung neuer Zellen
Die Zellteilung ist der Prozess, durch den sich eine Zelle teilt und zu neuen Zellen führt. Es gibt drei Hauptarten der Zellteilung: Amitose, Mitose und Meiose.
Arten der Zellteilung: Amitose
Bei der Amitose schnürt sich das Zytoplasma ein, und auch der Kern beginnt sich einzuschnüren, bis die Zelle sich teilt. Dieser Prozess ist nicht so präzise wie Mitose oder Meiose. Dies tritt hauptsächlich bei Prokaryoten (wie Bakterien) auf.