Zellbiologie & Molekulare Grundlagen: Struktur und Funktion

Die Zelle als Grundeinheit des Lebens

Definition und Eigenschaften der Zelle

Die Zelle ist die kleinste reproduktive Einheit und die erbliche Grundlage der Information, die eine Art definiert. Sie besitzt die Fähigkeit zur Selbstreproduktion.

Zelluläre Kompartimentierung

• Plasmamembran: Definiert die Zelle zur Außenwelt. Sie dient der zellulären Kompartimentierung und der Interaktion mit der extrazellulären Umgebung sowie mit anderen Zellen.
• Kernmembran: Definiert den Unterschied zwischen Eukaryoten und Prokaryoten.

Wichtige Organellen in Eukaryoten

Organellen sind in allen eukaryotischen Zellen vorhanden. Ihre Anzahl und ihr Ausmaß hängen von den spezifischen Funktionen der Zelle ab:

• Mitochondrien: Zuständig für hohe Energienachfrage (ATP-Produktion).
• Endoplasmatisches Retikulum (ER): Ort der hohen Proteinsynthese.
• Golgi-Apparat: Wichtig für Lipidsynthese und die Ausscheidung von Produkten.
• Zytoskelett: Verantwortlich für die Bewegung und Stabilität der Zelle (Mobilität).

Biologische Organisationsebenen

Von der Zelle zum Organismus

Die Organisation erfolgt von der Zelle (Einzeller, Vielzeller) über Gewebe (differenzierte Zellfunktionen) bis hin zu Organen (organisierte Gewebe).

Zelldifferenzierung und Genetik

Trotz der Existenz mehrerer Zelltypen besitzen alle Zellen den gleichen Genpool (~30.000 Gene beim Menschen). Die Unterschiede entstehen durch verschiedene Genexpressionsmuster. Mutationen sind die Grundlage für Evolution und können zu Krankheiten wie Krebs führen.

Molekulare Grundlagen zellulärer Prozesse

Zelluläre Prozesse basieren auf chemischen Grundlagen. Die molekularen Bestandteile umfassen:

• Wasser und Salze.
• Organische Moleküle: Kohlenhydrate (HDC), Lipide, Proteine, Nukleinsäuren (ac. nucleicos).

Das Verständnis der Eigenschaften biologischer Moleküle ist entscheidend für die Funktion von Makromolekülen.

Molekulare Organisation und Bindungen

Hierarchie der Moleküle

Die molekulare Organisation folgt der Hierarchie: Atom → Molekül → Makromolekül (durch Bindungen verbunden). Biologische Moleküle basieren hauptsächlich auf den Elementen C, H, O, N.

Wasser: Das universelle Lösungsmittel

Wasser ist das universelle Lösungsmittel und bestimmt die Struktur vieler Moleküle. Es ist ein polares Molekül (Dipol).

Starke Kovalente Bindungen

Kovalente Bindungen entstehen zwischen Atomen mit ungepaarten Orbitalen und sind Hochenergie-Bindungen. Sie bestimmen die Anzahl der Bindungen und die Form der Moleküle. Die Polarität hängt von der Elektronegativität der Atome ab.

• Unpolare Bindung: Elektronenpaare sind gleichmäßig aufgeteilt.
• Polare kovalente Bindung: Elektronenpaare sind ungleich verteilt.

Schwache Nicht-Kovalente Wechselwirkungen

Diese Wechselwirkungen sind oft schwach und vorübergehend. Sie sind entscheidend für die molekularen Strukturen höherer Ordnung (Makromoleküle). Die Bruch-Energie liegt typischerweise bei 1–5 kcal/mol (kinetische Energie bei 20 °C: 0,6 kcal/mol).

• Ionenbindung: Entsteht zwischen positiven (+) und negativen (-) Ionen durch Übertragung von Elektronen. Wichtige Ionen in Lösung: Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl⁻.
• Wasserstoffbrückenbindungen: Entstehen zwischen einem H-Atom (partiell positive Ladung) und einem Atom in einer anderen polaren kovalenten Bindung. Energie: 1–2 kcal/mol. Stabilisieren Moleküle höherer Ordnung.
• Van-der-Waals-Wechselwirkungen: Entstehen durch temporäre Dipole zwischen polaren oder neutralen Molekülen. Abhängig vom Abstand. Energie: ca. 1 kcal/mol.
• Hydrophobe Wechselwirkungen: Führen dazu, dass Wassermoleküle hydrophobe Moleküle ausschließen (Zusammenlagerung hydrophober Gruppen).

ATP: Der Energieträger der Zelle

Struktur und Funktion von Adenosintriphosphat

ATP (Adenosintriphosphat) ist ein Nukleotid, das grundlegende zelluläre Energie liefert und einen elektrochemischen Gradienten aufbaut. Es besteht aus:

1. Einer stickstoffhaltigen Base (Adenin).
2. Dem Pentosezucker Ribose (an Kohlenstoff 1 gebunden).
3. Drei Phosphatgruppen (an Kohlenstoff 5 gebunden).

ATP ist wichtig für Nukleinsäuren. Es wird bei der Photosynthese und Zellatmung produziert und von zahlreichen Enzymen in chemischen Prozessen verbraucht. Seine chemische Formel lautet: C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃.

Bildung und Spaltung biologischer Moleküle

Polymerisation und Energiebedarf

Die Bildung von Molekülen erfolgt oft in linearer Struktur durch Monomer-Polymer-Bindungen (Polymerisation). Diese Reaktionen sind in der Regel nicht spontan und erfordern Energiezufuhr, um Bindungen einzugehen.

Biologische Moleküle binden oder brechen durch Hinzufügen oder Entfernen von H₂O (Kondensation/Hydrolyse).