Zellbiologie (Fach) / Einführung/Chemie1/Chemie 2 (Lektion)

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• Antonie van Leuwenhoek erstes Mikroskop ("animalcules", kleine Tierchen in Teichwasser) 1674 / 1687
• Schleiden (Botaniker): "jede Pflanze ist ein Aggregat ... in sich abgeschlossener Einzel-lebenswesen, den Zellen" 1838
• Schwann (Anatom) "Die Zelle ist der gemeinsame Elementar-organismus von Pflanzen und Tieren" 1839
• Rudolph Virchow "omnis cellula e cellula"(gegen Urzeugung und Vitalismus !!!) 1855
• Max Schulze "Die Zelle ist ein mit den Eigenschaften des Lebens begabtes Klümpchen Protoplasma, in welchem ein Kern liegt" 1861
• Louis Pasteur Mikroorganismen sind selbständige Lebewesen; sie wachsen in einem Medium nur, wenn sie in dieses eingebracht werden. Strasburger, Bütschi & Fleming: Zellteilung
• Wichtigsten geschichtlichen Daten Im Verlauf des 20. Jhdt. Erweiterung der klassischen "Cytologie" durch Chemie/Biochemie und Physik bis hin zu zunehmender Verschmelzung der Disziplinen.  "cell biology goes molecular"  Zellbiologie, Genetik, Molekularbiologie, Biochemie, Biophysik
• Chemische Zusammensetzung von Zellenteilung Wasser Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Natrium Magnesium Aluminium Slilicium Phosphor Schwefel Chlor Kalium Calcium Mangan Eisen
• Zusammensetzung einer E. coli Zellenteilung Komponente  -   Anzahl / Zelle  -  Anzahl versch. MoleküleH20                        4 x 1010                       1Anorg. Ionen          2,5 x 108                     20Kohlenhydrate        2 x 108                       200Aminosäuren          3 x 107                       100Nukleotide              1,2 x 107                     200Lipide                      2,5 x 107                    50div. kl. Moleküle       1,5 x 107                   250Proteine                   106                             2000 - 3000tRNAs                       4 x 105                         61mRNAs                    1,5 x 104                      1000DNA                            4                                1
• Biosyntheseleistung einer E. coli Zelle Komponente           Anzahl / Zelle       Synthesen / sec     benötigte ATP Moleküle Polysaccharide                40 000                      32,5                            65 000Lipide                               1,5 x 107                  12 500                        87 500Proteine                           1,7 x106                    1 400                         2,1 x 106RNAs                               15 000                       12,5                            75000DNA                                 1                                 0,00083                     60 000
• Grundlegende Eigenschaften von Zellen (1) bedingte Vermehrungsfahigkeit Reizbarkeit Reizaufnahme - Reizverarbeitung - Reizbeantwortung Stoffaustausch mit der Umgebung offenes System - Fliesgleichgewicht -Ruckkopplungen; Erhalt einer Struktur ist nur gegen die Entropie moglich! Entwicklungsfahigkeit (evtl. nur uber Mutationen)
• Grundlegende Eigenschaften von Zellen (2) Speicherung der genetischen Information: Sequenz von 4 Nucleotiden in der DNA (selten RNA) Weitergabe der genetischen Information (DNA-Replikation ...) Verwertung der genetischen Information (DNA - mRNA - Proteinsynthese, epigenetische Kontrolle) Abschluss der Zelle nach ausen: zweischichtige Membranen aus Phospholipiden + Proteinen (Membranen entstehen immer aus bereits vorhandenen Membranen!) grose biologische Strukturen bestehen aus vielen, meist nicht kovalent verknupften Bausteinen (self assembly)
• Viele grundlegende biochemische Strategien sind 'hochkonserviert', d. h. alle Arten haben sie behalten bestimmte Stoffwechselwege  ungerichtete Bewegungen/Diffusion/erleichterte Diffusion (Konzentrationsgradienten, Verbrauch chem. Energie) gerichtete Bewegungen (Pumpen, Motorproteine, ...) Signaltransduktion (Rezeptoren + Liganden, ...) Feedback-loops kontrollieren Wachstum und Differenzierung
• Zellen treten uns immer in einer bestimmten ..... entgegen. ? Gestalt Differenzierung Spezialisierung Determination  Bsp.: bei höheren Vertebraten gibt es > 200 unterschiedliche Zelltypen!
• Größenskalierung In allen mikrobiologischen, molekularbiologischen, zellbiologischen, biochemischen Arbeitsbereichen Rechnen und umrechnen in Grosenordnungsbereichen Milligramm (mg), Mikrogramm (µg), Milliliter (ml), Mikroliter (µl), ... ist essentiell!!
• Grundlegende Einteilung Procyten Eubakterien Eukaryotenn Archaebakterien
• Eubakterien Thermotoga Flavobakterien Cyanobakterien Purpurbakterien Grüne Bakterien Gram-positive Bakterien
• Archaebakterien extrem halophile Methanogene extrem Thermophile
• Archaebakterien extrem halophile Methanogene extrem Thermophile
• Eukaryotenn Mikrosporidien Flagellaten Tiere Pflanzen
• Prokaryoten - Eigenschaften kein Zellkern - Kernaquivalent geringe Strukturierung des Cytoplasmas [ keine Organellen! ] sehr klein (~ 1 x 2 µm) äußere Form variabel
• Eukaryoten - Eigenschaften Zellkern deutliche Strukturierung des Cytoplasmas - Organellen extreme Variabilitat der Zellgestalt (Spezialisierung, Anpassung an unterschiedlichste Aufgaben)
• Struktur einer Bakterienzelle DNA plasmamembran Zellwand Flagellum Ribosomen im Cytosol
• Struktur einer Hefezelle (= einer der "primitivsten" Eukaryotentypen!)  Endoplasmatisches Retikulum  Mitochondrien  Nucleus  Kernporen  Oleosom  Vakuolen  Zellwand
• Struktur einer tierischen Zelle - Pankreaszelle Endoplasmatisches Retikulum Golgi Komplex Lysosomen Mitochondrien Mikrovilli Nucleus
• Bestandteile einer Zelle Abgrenzung nach ausen: Zellmembran, Zellwand oder Extrazellulare Matrix genetisches Material (Kernaquivalent / Zellkern) Mitochondrien, Plastiden (nur bei Eukaryoten!) weitere Membran-umhullte Kompartimente (nur bei Eukaryoten!) =ER, Golgi Apparat, TGN, Lysosomen, Vakuolen, Peroxisomen.. Strukturproteine
• Kompartimentierung = die interne Gliederung der eukaryotischen Zelle (Eucyte, Eukaryoten) in membranumschlossene Reaktionsräume (Kompartimente)bzw. die Aufgliederung der Zelle in Reaktionsräume (Kompartimente) Organellen haben eine charakteristische Zusammensetzung (Ionen, Enzyme, ...) → spezifische Funktion
• Ordnungszahl und Bindungsvalenzen der "Wichtigsten" Elemente Ele.   O#      Bindungsvalenz H        - 1          1  C        - 6          4 N        - 7          3 O        - 8          2 P        - 15         5 S        - 16         2 , 4 , 6
• Bindungen zwischen Atomen - Chemische Bindungen kovalente Bindung nicht-kovalente Bindungen:WasserstoffbrückenbindungIonenbindungVan der Waals'sche Wechselwirkungen
• Kovalente Bindung 2 Atome besitzen gemeinsame Elektronenpaare - Valenzen Ladungen können innerhalb einer Bindung ungleich verteilt sein: es entstehen Dipole mit einer elektronegativen und einer elektropositiven Region
• Wasserstoffbrückenbindung Die Polarisierung bei insgesamt neutraler Ladung ermöglicht eine Anziehung benachbarter Dipolmoleküle Wasserstoffbrückenbindung (H-Brücke): Elektrostatische Anziehungskraft zwischen einem H-Atom, das an ein stark elektronegatives Atom (O oder N) gebunden ist und dadurch positiv polarisiert wird, und einem weiteren, elektronegativen Atom. Kommen in Proteinen, Nucleinsäuren und Kohlenhydraten häufig vor, weil diese viele polarisierte Gruppen enthalten. H-Brücken: Sind ~ 10 - 20 mal schwächer als eine kovalente Bindung. stabilisieren die räumliche Anordnung von Proteinen und Nucleinsäuren. →große Flexibilität der räumlichen Konformation + Konformations-änderungen mit geringem Energie-aufwand Die Stärke der H-Brücken ist richtungsabhängig
• Anomalie des Wassers Die Struktur des Wassers bedingt ungewöhnliche Eigenschaften: hohe Oberflächenspannung Verdunstungskälte ungewöhnlicher Aggregatzustand bei diesen Temperaturen Wasser ist das "Lösungsmittel des Lebens" Moleküle mit polaren Gruppen und Ionen lösen sich gut in Wasser, weil sie H-Brücken mit Wasser ausbilden können - hydrophil. Unpolare Moleküle sind schlecht in Wasser lösbar - hydrophob. Mehrere hydrophobe Moleküle werden sich in Wasser zusammen gruppieren, da sie dann die Struktur des Wassers weniger stören (= energetisch günstigste Anordnung).
• Ionenbindung Wechselwirkung eines Kations (+) mit einem Anion (-)Bsp. in der Biologie:Aminogruppe + organische Säuregruppe (z. B. DNA + Histone)
• Van der Waals'sche Wechselwirkungen = Anziehung schwacher Dipole Ist bei größeren Molekülen möglich, wenn sie in ihrer äußeren Form (also an der Oberfläche) komplementär sind. Schlüssel - Schloss Prinzip (Enzym - Substrat, Antigen - Antikörper)
• Säuren - Basen Säuren - Protonendonatoren Basen - Protonenakzeptoren
• Phosphorsäure - Wichtige Verbindungen der Phosphorsäure (Salze: Phosphate) Summenformel: H3PO4 Kurzschreibweise / Vereinfachung:Pi  Phosphatester (Verbindung von Alkohol mit Säure)
• Schwefelsäure (Salze: Sulfate) Summenformel: H2SO4 H2SO4 + H2O ⇔ HSO4- + H3O+HSO4- + H2O ⇔ SO42- + H3O+
• Salpetersäure (Salze: Nitrate) Summenformel: HNO3 (Salze: Nitrite) HNO2 ⇔ NO2-
• Ammoniak Ammonium-Ionen NH3 + H3O+ ⇔ NH4+ + H2O
• pH-Wert negativer dekadischer Logarithmus der Protonenkonzentration einer wässrigen Lösung. pH = - log10 [H+] Voraussetzung: spontane Autoprotolyse des Wassers H2O  → H+ + OH- 2 H2O → H3O+ (=Hydronium-Ion oder Oxonium.Ion) + OH- Bsp.: pH = 7- log 10 [H+] = 710-7 Mole H+ pro Liter H2OpH = 4 bedeutet also:10-4 Mole H+ pro Liter H2Od. h. mehr H+ !!!
• Kohlenstoff besitzt 4 Bindungsvalenzen, die in die 4 Ecken eines Tetraeders ragen bildet lange Ketten, mit oder ohne Verzweigungen, oder Ringe Doppelbindung und Dreifachbindung sind möglich alternierende Einfach- und Doppelbindungen = Resonanz (bei Ringen = aromatisch)
• Verbindungen von Kohlenstoff Kohlenstoff kann lange Ketten bilden1 x C Methan2 x C Ethan3 x C Propan4 x C Butan5 x C Pentan6 x C Hexan7 x C Heptan8 x C Oktan9 x C Nonan10x C Dekan Die Ketten können verzweigt sein Die Ketten können sich zu Ringen schließen Mehrere Ringe können sich verbinden Innerhalb der Ketten können Doppelbindungen auftreten Die Wirklichkeit liegt zwischen diesen beiden Zuständen Resonanz
• C - O Verbindungen - Alkohole Alkohole(Kohlenwasserstoffe mit mind. einer Hydroxylgruppe) OH = "funktionelle Gruppe" Einfachster Alkohol: Methanol Ethanol = "DER Alkohol"
• C - O Verbindungen - Aldehyde (Verbindungen mit end-ständiger -CHO Gruppe)= Aldehydgruppe z.B. Formaldehyd
• C - O Verbindungen - Ketone (chem. Verbindungen mit nicht endständiger Carbonylgruppe, auch Ketogruppe genannt)= Ketogruppe z.B. Aceton
• C - O Verbindungen - Organische Säuren (meist Carbonsäuren)=Carboxyl-Gruppe - COOH Ameisensäure Essigsäuren
• C - O Verbindungen - Ester Säure + Alkohol R1-COO-R2
• C - N Verbindungen - Amine Abkömmlinge (Derivate) des Ammoniaks H-Atome sind ersetzt durch organische Molekülgruppenprimäre Amine: R-NH2sekundäre Amine: R - NH - Rtertiäre Amine: N R3quartäre Ammoniumverbindungen: N R4+ (+ X-) Amine reagieren basisch: R-NH2 + HX ⇔ R-NH3+ + X- primäre = 1 Restsekundäre = 2 Restetertiäre = 3 Restequartäre = 4 Reste Bsp.: Betain
• C - N Verbindungen - Carbonsäureamide Derivate von Carbonsäuren + Aminen (Ammoniak, prim., sek. Amine) z.B. Formamid aus Ameisensäure + Ammoniak
• C - N Verbindungen N kann auch Bestandteil von C-Ringen sein Bsp.: Cytosin

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