Botanik (Fach) / Botanik Mündlich (Lektion)

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• Zelltheorie und ihre Schlussfolgerungen   1883 formulierten Schleiden und Schwann die Zelltheorie: Zellen sind die Grundeinheiten des Lebens Alle Organismen bestehen aus Zellen Zellen entstehen nur aus Zellen   Daraus lässt sich schlussfolgern: Das Leben auf der Erde begann mit der Entstehung der 1. Zelle Die Prinzipien, die den Funktionen eines Einzellers zugrunde liegen, sind ähnlich den Prinzipien, die in unserem Körper herrschen Alle Körperzellen sind aus einer einzigen Zelle entstanden (befruchtete Eizelle)  
• Gründe für die Begrenzung der Zellgröße   Zellen sind meist sehr klein (Ausnahme Vogelei). Ursache ist das Oberfläche-Volumen-Verhältnis nimmt das Volumen zu, wächst auch die OF, aber nicht im gleichen Maß Zelle braucht aber eine verhältnismäßig große OF, denn über sie findet der Stoffaustausch statt (Nährstoffe, Abfallstoffe) größeres Volumen bedeutet mehr chemische Aktivität / Zeiteinheit (und daher auch höherer Nährstoffbedarf und höhere Abfallproduktion) → damit kann die verhältnismäßig kleine OF nicht mithalten   Große Organismen bestehen aus vielen kleinen Zellen und haben daher eine riesige Gesamt-OF → effizienter Stoffaustausch ist so erst möglich  
• Cytoplasma   Cytoplasma ist der Überbegriff für alles, was im Inneren der Zellmembran eingeschlossen ist: Grundplasma (Cytosol) Zellorganellen (z.B. Chloroplasten, Mitochondrien) membranlose Plasmastrukturen (z.B. Ribosomen) Membransysteme (z.B. ER)  
• Aufbau des Zellkerns   von einer doppelten Membran begrenzt (Kernhülle) die äußere Membran geht an vielen Stellen ins ER über Kernhülle mit Kernporen (dadurch bilden innere und äußere Membran ein Kontinuum) → jede Kernpore ist mit einem Kernporenkomplex aus 8 Proteinpartikeln ausgekleidet → über die Kernporen kann ein Substanzaustausch mit dem Cytoplasma erfolgen   Chromatin im Inneren der Kernhülle → DNA-Stränge, die um Histon-Proteine gewickelt sind Nucleoplasma im Inneren der Kernhülle → wässrige Lösung aus zahlreichen Substanzen → enthält ein Netzwerk aus Strukturproteinen: Kernamtrix   Nucleoli → werden von bestimmten DNA-Abschnitten durchzogen, man spricht dann von Nucleolus-Organisatorregionen → in diesen Regionen werden die Untereinheiten der Ribosomen gebildet  
• Aufgaben des Zellkerns   Speicherung der genetischen Information Weitergabe der genetischen Information auf die Tochterzellen bei der Mitose Bildung der Ribosomen-Untereinheiten Kontrolle der Genexpression  
• Vorkommen und Aufbau Ribosomen   kommen frei im Cytosol vor oder sind an das ER gebunden bestehen aus Protein und RNA setzen sich aus einer kleinen und einer großen Untereinheit zusammen  
• Aufgabe Ribosomen   Ort der Proteinbiosynthese: Aminosäuren werden zu Polypeptidketten verknüpft Polysomen: Gruppen von Aminosäuren, die aktiv Proteinbiosynthese betreiben  
• Vorkommen von Chloroplasten in der Zelle   meist mit der Breitseite parallel zur Zellwand liegend können sich im Cytoplasma frei bewegen und richten sich innerhalb der Zelle nach dem Licht aus
• Aufbau von Chloroplasten   2-8 µm linsenförmig von einer Doppelmembran begrenzt innere Membran bildet durch Einfaltungen ein Membransystem (Thylakoidsystem) aus: → es bilden sich einzelne Säckchen (Thylakoide) → Säckchen ordnen sich zu geldrollenartigen Stapeln an (Granathylakoide) → langgezogene Säckchen zur Verbindung der Stapel (Stromathylakoide) in die innere Membran sind Pigmente eingelagert: Chlorophyll, Carotinoide innere Membran besitzt kein Cholesterol, aber dafür Cardiolipin Grundsubstanz = Stroma eigene DNA: bakterienähnliche, ringförmige DNA ohne Histone 70S-Ribosomen Lipidtropfen Stärkekörner → vorübergehende Speicherprodukte bei der Photosynthese → werden im Dunkeln dann wieder abgebaut  
• Aufgabe von Chloroplasten   Photosynthese vorübergehende Speicherung von Stärke Beteiligung an der Synthese von Aminosäuren und Fettsäuren  
• Chromoplasten   = alle farbigen Plastiden, die nicht grün sind → besitzen kein Chlorophyll, sondern Carotinoide und Xanthophylle → gelbe und orange Färbungen (daher oft Lockfunktion bei Blütenblättern und Früchten)  
• Gerontoplasten   verantwortlich für Gelbfärbung im Herbst entstehen, wenn das Chlorophyll abgebaut wird und dadurch die Carotinoide sichtbar werden → eine Neusynthese von Carotinoiden findet nicht statt!   CAVE: Beim Abbau des Chlorophylls kommen auch Anthocyane zum Vorschein Farbstoffe, die sich in den Vakuolen befinden sind für die Rotfärbung verantwortlich   CAVE: Braune Farben kommen durch Gerbstoffe zustande.  
• Leukoplasten   farblos, da sie keine Pigmente enthalten nur schwach ausgeprägtes inneres Membransystem Man kann verschiedene Arten von Leukoplasten unterscheiden: Amyloplasten: Bildung und Speicherung von Stärke → Vorkommen in Wurzeln und Knollen Proteinoplasten: enthalten Protein-Kristalloid Elaioplasten: enthalten Lipide  
• Aussehen Proplastiden   = undifferenzierte Vorstufen anderer Plastiden klein farblos oder blassgrün ohne ausdifferenziertes inneres Membransystem  
• Weiterentwicklung von Proplastiden   Die Weiterentwicklung von Proplastiden verläuft bei vielen Pflanzen lichtabhängig: in der Dunkelheit entwickelt sich kein richtiges Thylakoidsystem, sondern nur prokristalline Strukturen aus tubulären Membranen (= Prolamellarkörper) → Etioplasten bei Belichtung können sich Etioplasten in Chloroplasten umformen → flache Vesikel schnüren sich von der inneren Membran ab und ordnen sich zum Thylakoidsystem an  
• Übersicht über Plastiden, sie sich aus Proplastiden entwickeln können   Chloroplasten Chromoplasten Leukoplasten → Amyloplasten → Proteinoplasten → Elaioplasten   CAVE: Gerontoplasten bilden sich durch Alterungsprozesse, nicht aus Proplastiden!  
• Aufgaben von Mitochondrien   Umwandlung von chemischer Energie (z.B. aus Glucose) in ATP → Ort der Zellatmung  
• Vorkommen von Mitochondrien   können sich frei im Cytosol bewegen und häufen sich daher dort an, wo viel Energie benötigt wird Anzahl an Mitochondrien spiegelt den ATP-Bedarf einer Zelle wieder  
• Aufbau von Mitochondrien   umgeben von einer Doppelmembran → äußere Membran lässt Substanzen durch Poren aber nahezu ungehindert durch → Kontrolle des Substanztransports findet an der inneren Membran statt innere Membran bildet Einstülpungen zur Oberflächenvergrößerung → am häufigsten: Cristae-Typ → es gibt aber auch: Tubuli-Typ → oder: Sacculi-Typ in der inneren Membran befinden sich Membranproteine, die an der Zellatmung beteiligt sind   innerhalb der Membranen befindet sich die Mitochondrienmatrix   eigene DNA eigene Ribosomen  
• Aufbau von Vakuolen   umgeben von einer Membran = Tonoplast im Inneren: Zellsaft → Wasser → gelöste organische und anorganische Moleküle → auskristallisierte Substanzen (z.B. Calciumoxalat)  
• Aufgaben von Vakuolen   Speicherung Produkte des Primärstoffwechsels (Zucker, Proteine...)   Produkte des Sekundärstoffwechsels (Tannin, Nikotin...) → Stoffe können so dauerhaft aus dem Stoffwechsel entfernt werden → dadurch entsteht oft ein Schutz vor Fressfeinden / Parasiten   Farbstoffe → Anthocyane: rote, blaue, violette Färbungen   Verdauungsfunktion durch eingelagerte Hydrolasen CAVE: wenn sich der Tonoplast auflöst, kann es zur Selbstverdauung kommen (Autolyse)   Entstehung des Turgordrucks Vakuole enthält eine hohe Teilchenkonzentration und daher strömt auf osmotischem Weg Wasser in die Vakuole ein es entsteht im Zusammenspiel mit der starren Zellwand ein Innendruck Folge: Gewebespannung, die auch krautigen Pflanzen Festigkeit verleiht  
• Bildung von Vakuolen   durch Abschnürung von Bläschen aus dem Golgi-Apparat oder dem ER in jungen Zellen existieren zahlreiche kleine Vakuolen, die sich während des Zellwachstums vergrößern und miteinander verschmelzen am Ende kann die Vakuole bis zu 90% des Zellvolumens einnehmen  
• Arten von ER   Raues ER (RER) aus Zisternen, deren Außenfläche mit Polysomen besetzt ist Ribosomen bilden Proteine, die ins Lumen des ER sezerniert werden Proteine werden durch ER zu anderen Zellorten transportiert und können im ER noch einmal modifiziert werden → Funktion und Bestimmungsort können sich dadurch ändern   Glattes ER (SER) ist stärker röhrenförmig als das RER Außenseite ohne Polysomen kann ebenfalls Proteine verändern kann auch andere Moleküle verändern, die von der Zelle aufgenommen wurden (z.B. Arzneimittel) Lipidsynthese   Corticales ER Membransystem im peripheren Cytoplasma direkt unterhalb der Zellmembran vor allem in sehr aktiven und sich entwickelnden Zellen Beteiligung an der Regulation des Ca2+ Spiegels  
• Übersicht Funktionen des ER   Transport Modifikation von Proteinen und anderen Stoffen Lipidsynthese Regulation des Ca2+ Spiegels Kommunikation innerhalb der Zelle Kommunikation benachbarter Zellen durch Plasmodesmen  
• Aufgaben des Golgi-Apparats   empfängt Proteine vom ER und kann sie weiter modifizieren konzentriert, verpackt und sortiert Proteine Bildung von Polysacchariden der pflanzlichen Zellwand (Pektine, Hemicellulose)  
• Aufbau des Golgi-Apparats   Der Golgi-Apparat besteht aus Stapeln von scheibenförmigen Golgi-Zisternen (Dictyosomen) und Vesikeln, die sich davon abschnüren. An den Rändern können sich die Zisternen tubulär verzweigen. Bei Pflanzen und Pilzen findet man mehrere solcher Systeme im gesamten Cytoplasma verteilt.   Man kann verschiedene Regionen unterscheiden: cis-Seite = Regenerationsseite → dem ER oder dem Zellkern zugewandt → vom ER schnüren sich Vesikel ab, aus denen Golgi-Zisternen aufgebaut werden   trans-Seite = Sekretionsseite → dem ER oder dem Zellkern abgewandt → es schnüren sich Sekretvesikel ab → coated-Vesikel mit einer Proteinhülle zum Transport von Vakuolenproteinen → Vesikel mit glatter OF zum Transport an die Zelloberfläche   medial-Region  
• Aufbau von Peroxisomen   von einer Membran begrenzt im Inneren eine granuläre Grundsubstanz → oft mit kristallinen Eiweißkörpern stehen oft in Verbindung mit dem RER  
• Aufgaben von Peroxisomen   bei biochemischen Reaktionen entstehen oft toxische Produkte, die dann in den Peroxisomen akkumulieren und dort gefahrlos abgebaut werden können → z.B. Abbau von H2O2 durch Katalase Blatt-Peroxisomen → Ort der Photorespiration Glyoxisomen → in ölspeichernden Samen → spielen eine wenn bei der Keimung Fette in Kohlenhydrate umgewandelt werden  
• Übersicht Cytoskelett   = Netzwerk aus Strukturproteinen, das das gesamte Cytoplasma durchzieht.   Man unterscheidet: Aktinfilamente Intermediärfilamente Mikrotubuli Bei Pflanzen kommen hptsl. Aktinfilamente und Mikrotubuli vor.  
• Aufbau von Aktinfilamenten   aus Aktin → stark gefaltet → mit klarer Kopf- und Schwanzregion Aktinmoleküle treten miteinander in Wechselwirkung und bilden Ketten immer 2 Ketten winden sich schraubig umeinander → Bildung von Aktinfilamenten → polar; am +Pol hptsl. Wachstum, am -Pol hptsl. Abbau  
• Aufgaben von Aktinfilamenten   Stabilisierung der Gestalt der Zelle Organisation des ER Unterstützung der Cytoplasmaströmung Beteiligung an der Zellwandbildung Spitzenwachstum von Pollenschläuchen  
• Aufbau von Mikrotubuli   röhrenförmig aus Tubulin zusammengesetzt → Tubulin ist ein Dimer aus α- und ß-Tubulin → Tubulin ist in 13 Längsreihen (Protofilamente) um ein hohles Inneres angeordnet auch hier ein +Ende und ein -Ende → + Enden wachsen schneller Bildung in Mikrotubuli-Organisationszentren an der OF des Zellkerns und im corticalen Cytoplasma  
• Aufgaben von Mikrotubuli   Bildung eines starren internen Skeletts (in manchen Zellen) Aufbau eines Schienensystems, über das Motorproteine Partikel bewegen Bildung von Spindelfasern bei der Zellteilung sorgen für geordnetes Wachstum der Zellwand (Anordnung gibt Richtung der Cellulosefibrillen vor)      
• Besonderheiten von Plastiden und Mitochondrien   Plastiden und Mitochondrien weisen einige Besonderheiten auf: Vermehrung durch Teilung Besitz von eigener DNA (ringförmig, ohne Histone) Doppelmembran, wobei die innere Membran bakterienähnlich ist   All dies deutet darauf hin, dass Plastiden und Mitochondrien prokaryotischen Ursprungs sind. Gestützt wird diese Annahme durch weitere Erkenntnisse: große Sequenzähnlichkeiten und biochemische Gemeinsamkeiten mit anderen Prokaryoten Vorkommen von rezenten Endosymbiosen (z.B. Algen in Hydrozoen)  
• Endosymbiontenhypothese   vor ca. 2 Milliarden Jahren gab es Prokaryoten, die sich auf unterschiedliche Weise ernährten, z.B. durch Photosynthese einige ernährten sich räuberisch durch Phagocytose von anderen Prokaryoten manche der so aufgenommenen Prokaryoten wurden nicht verdaut, sondern überlebten in einem Vesikel im Cytoplasma der Wirtszelle hatten beide Einzeller die gleiche Teilungsrate, dann erhielten die Nachkommen der Wirtszelle auch die Nachkommen der aufgenommenen Zelle im Lauf der Evolution verloren die Endosymbionten einen Großteil ihrer DNA an den Zellkern der Wirtszelle   Aus der Verbindung ziehen beide Partner ihren Nutzen: Endosymbionten boten besondere Stoffwechselleistungen (z.B. Photosynthese) Wirt bot Schutz   Man geht davon aus, dass Chloroplasten aus Ur-Cyanobakterien entstanden sind Mitochondrien aus α-Proteo-Bakterien entstanden sind → vermutlich wurden Mitochondrien zuerst aufgenommen  
• Funktionen von Membranen   Kontrolle des Stofftransports in die Zelle hinein und aus der Zelle hinaus Aufbau von unterschiedlichen Spannungen zwischen Zellinnerem und Zelläußerem Empfang von hormonellen und chemischen Signalen und Vermittlung einer Antwort  
• Lipide der Plasmamembran   Phospholipide sind der Hauptbestandteil der Membran. phosphathaltiger, hydrophiler Kopfbereich; elektrisch geladen → kann in Wechselwirkung mit Wassermolekülen treten unpolare, hydrophobe Fettsäureschwänze → treten in Wechselwirkung mit anderen unpolaren Stoffen   Im wässrigen Milieu existieren die Phospholipide in Form eines Bilayers (Doppelschicht): Fettsäureschwänze beider Schichten treten in Wechselwirkung polare Bereiche zeigen nach außen zum wässrigen Milieu  
• Membranfluidität   Phospholipide stabilisieren die ganze Membran, dabei bleibt die Membran aber trotzdem sehr elastisch → durch die Fettsäureschwänze ist der hydrophobe Innenbereich in gewissem Maße flüssig → Moleküle können sich lateral in der Membran bewegen   ABER: Es ist schwer für ein Phospholipidmolekül den Platz mit einem gegenüberliegenden Molekül zu tauschen Beeinflussung der Membranfluidität: Cholesterolanteil (bzw. bei Pflanzen andere Steroide, z.B. Stigmasterin) Sättigungsgrad der Fettsäuren (kurz und ungesättigt erhöhen die MF)  
• Proteine der Plasmamembran   Proteine besitzen ebenfalls hydrophile und hydrophobe Bereiche: hydrophil: Anhäufung von Aminosäuren mit hydrophilen Seitenketten → solche Bereiche sind eher im extrazellulären Milieu oder im Cytoplasma hydrophob: Anhäufung von Aminosäuren mit hydrophoben Seitenketten → treten in Interaktion mit Fettsäuren im Innenbereich der Doppellipidschicht   Man unterscheidet: Integrale Membranproteine in der Membran eingebaut können die Membran teilweise oder ganz durchdringen (Transmembranproteine) Protein hat einen hydrophoben Innenbereich und hydrophile Endbereiche   Periphere Membranproteine dringen nicht in die Doppellipidschicht ein besitzen keine hydrophoben Bereiche     Die Verteilung von Proteinen an der Innen- und Außenseite der Membran ist unterschiedlich → beide Membranoberflächen haben unterschiedliche Eigenschaften   Membranproteine können sich in der Doppellipidschicht bewegen. Einige Proteine können nach Belieben wandern, andere sind in bestimmten Membranregionen verankert durch Strukturen des Cytoskeletts durch Lipidflöße (= Gruppen von Lipiden in halbfestem Zustand)  
• Kohlenhydrate der Plasmamembran   können sich an der Außenseite der Membran befinden sind dabei an Lipide oder Proteine gebunden → Glykolipid → Glykoprotein
• Diffusion - Begriff und Ablauf   = zufällige Bewegung von Teilchen hin zu einem Gleichgewichtszustand Teilchen bewegen sich ungerichtet, aber die Nettobewegung ist gerichtet: von Orten mit höherer Konzentration zu Orten mit niedriger Konzentration „Bewegung entlang eines Konzentrationsgradienten“ → Nettofluss der Teilchen ist umso schneller, je steiler der Konzentrationsgradient ist wenn ein Konzentrationsgleichgewicht erreicht ist, bewegen sich die einzelnen Moleküle zwar weiter, der Nettofluss von Molekülen ist aber 0  
• Einflussfaktoren auf die Diffusionsgeschwindigkeit   Konzentrationsgradient Durchmesser der Teilchen Temperatur elektrische Ladung  
• Grenzen der Diffusion   Diffusion ist nur für sehr kurze Strecken interessant (z.B. innerhalb von Zellen) ohne Durchmischung kann eine Diffusion über mehr als 1 cm aber schon über eine Stunde dauern → Für den Stofftransport im ganzen Körper ist die Diffusion daher also nicht geeignet  
• Diffusion und Plasmamembranen   Wenn eine Lösung durch eine Biomembran in getrennte Kompartimente unterteilt wird, können die Membraneigenschaften die Beweglichkeit bestimmter Stoffe einschränken.   Die Zellmembran ist semipermeabel, d.h. sie ist nur für bestimmte Stoffe durchlässig: kleine Moleküle → am Besten fettlöslich Wasser   Geladene und polare Teilchen können nicht durch die Membran diffundieren: Substanzen gehen Wasserstoffbrückenbindungen mit dem sie umgebenden Medium ein, was eine „Flucht“ durch die Membran behindert polare Substanzen können das hydrophobe Innere der Membran schlecht passieren  
• Wasserpotenzial   Wasserpotenzial ist das Maß für die Bereitschaft Wasser abzugeben → je negativer das Wasserpotenzial, desto geringer ist die Bereitschaft, Wasser abzugeben und desto höher die Bereitschaft, Wasser aufzunehmen Potenzial von absolut reinem Wasser = 0 da biologische Systeme aber nie aus reinem Wasser bestehen, ist ihr Wasserpotenzial immer negativ  
• Osmose   = Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran → wenn zwei Lösungen unterschiedliche Teilchenkonzentrationen besitzen und durch eine Membran getrennt sind, die undurchlässig für Teilchen, aber durchlässig für Wasser ist → es erfolgt ein Nettofluss von Wasser von der niedriger konzentrierten zur höher konzentrierten Lösung  
• Erleichterte Diffusion durch Kanalproteine   Kanalproteine ermöglichen es auch geladenen und polaren Teilchen die Membran zu passieren Kanalprotein trägt außen unpolare Aminosäuren → damit es sich in die Membran einfügen kann Kanalprotein trägt innen polare Aminosäuren → damit die Teilchen passieren können   Ionenkanäle sind jeweils für ein bestimmtes Ion spezifisch gesteuerte Kanäle: können geöffnet und geschlossen werden → durch Konformationsänderung des Kanalproteins → spannungsgesteuert: Öffnen / Schließen durch Spannungsänderung → ligandengesteuert: Öffnen / Schließen durch Bindung eines Liganden   Aquaporine = Wasserkanäle → beschleunigen die Diffusion von Wasser durch die Membran    
• Erleichterte Diffusion durch Transportproteine   → zum Transport von polaren Molekülen → zu transportierendes Teilchen wird an einen Carrier gebunden  
• Aktiver Membrantransport   → Transport entgegen des Konzentrationsgefälles unter Energieverbrauch Uniporter: eine einzige Substanz wird in eine bestimmte Richtung transportiert Symporter: zwei Substanzen werden gemeinsam in eine Richtung transportiert Antiporter: zwei Substanzen werden in entgegengesetzte Richtungen transportiert → Symporter und Antiporter sind gekoppelte Transporter  
• Endocytose   Endocytose = Aufnahme von Material in die Zelle Plasmamembran faltet sich um das Molekül ein und bildet eine Tasche aus der Tasche bildet sich ein Vesikel Vesikel schnürt sich von der Plasmamembran ab und wandert ins Zellinnere   Man unterscheidet: Phagocytose Pinocytose rezeptorvermittelte Endocytose: Substanzen werden an Rezeptoren gebunden, dann bilden sich Vesikel um das Molekül  

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