Biologie (Fach) / Zellbiologie (Lektion)

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• Cytologie: Definition, Grunderkenntnisse, Namensursprung + Geschichte, Forschungsmethoden auch: Zellbiologie; Lehre von Aufbau und Funktion der verschiedenen Zelltypen 2. alle Lebewesen aus Zellen aufgebaut, die sich abhängig von Funktion in Form, Größe und teilweise im Aufbau unterscheiden → Gemeinsamkeiten: Grundbauplan – von Biomembran umgrenztes Cytoplasma (Zellplasma), wesentliche Strukturen/Baustoffe/Funktionen, Entstehung durch Zellteilung 3. lat. cellula = kleine Kammer 4. von Robert Hooke (Engländer) im 17. Jahrhundert entdeckt (mikroskopische Untersuchung von Flaschenkorken) 5. heute mittels Durchlicht- bzw. Elektronenmikroskop erforscht
• Kennzeichen des Lebens: acht Stück Stoffwechsel (Atmung, Nahrungsaufnahme, Ausscheidung) Reizbarkeit (Reaktion auf Licht/Dunkelheit, Wärme/Kälte, Druck, chemische Reize usw.) Fortpflanzung & Vererbung Bewegung Kommunikation evolutionäre Anpassung Differenzierung (aus einer befruchteten Eizelle bilden sich verschiedene Zelltypen) Wachstum, Altern, Tod
• verschiedene Zelltypen Prokaryoten sind aus Protocyten aufgebaut Eukaryoten sind aus Eucyten aufgebaut, die nochmals in tierische und pflanzliche Zellen unterteilt werden
• Vergleich: Protocyte, Eucyte Größe, Fundort des Erbguts, Komplexität des Aufbaus, Ribosome, Spezialität der Protocyten, Spezialität der Eucyten, Alter, Beispiele für Vertreter, Unterschiede beim Erbgut, Zellteilung Protocyte: 1 bis 5µm Eucyte: tausendfaches Volumen – 5 bis 50µm Protocyte: Erbsubstanz liegt als ringförmiges Molekül frei im Cytoplasma (Kernäquivalent) Eucyte: Erbsubstanz im Zellkern durch Zellkernmembran vom Cytoplasma abgegrenzt Protocyte: einfacher Aufbau (weniger Organellen) Eucyte: komplexer Aufbau (mehr Organellen, z.B. Mitochondrien, Plastide) Protocyte: kleinere 70-S-Ribosome Eucyte: größere 80-S-Ribosome Protocyte: zusätzliche DNA-Ringe (Plasmide) Eucyte: nicht vorhanden Protocyte: kaum gegliedert Eucyte: gegliedert durch verschiedenartige Räume (Zellkompartimente) Protocyte: Entstehung vor ca. 3,5 Milliarden Jahren Eucyte: Entstehung vor ca. 1,5 Milliarden Jahren Protocyte: Bakterien, Blaualgen (Cyanobakterien) Eucyte: einzellige Eukaryoten (Protisten), aber auch alle Vielzeller (Tiere, Pflanzen, Pilze) Protocyte: weniger Gene, hohe Gendichte (5-25% nicht kodierend), im Bakterienchromosom (an Plasmamembran befestigt) und den Plasmiden gespeichert Eucyte: umfangreichere Erbsubstanz (mehr Gene), niedrige Gendichte (70-90% nicht kodierend), in mehreren Chromosomen gespeichert (Körperzellen des Menschen: diploider Chromosemsatz (46 Chromosomen), Keimzellen des Menschen: dank Meiose haploider Chromosomensatz (23 Chromosomen) Protocyte: Vermehrung durch einfache Zweiteilung (Spaltung genannt, da kernlose Zellen): Erbsubstanz wird verdoppelt, beide Chromosomen bleiben an Plasmamembran befestigt, neue Membran bildet sich zwischen Erbfäden aus Eucyte: Mitose genannte Kernteilung, dann Teilung des Cytoplasmas (Cytokinese) (führt zu exakter Kopie der Gene)
• Bestandteile des Cytoplasmas + Aufgabe 90% Wasser gelöste Kohlenhydrate, Fette, Eiweißstoffe und Nukleotide anorganische Stoffe: Ionen (K+, Ca2+, Na+, Mg2+) Einbettung von Zellorganellen (Organe der Zellen) + Mikrotubuli/Mikrofilamente (Stützfunktion)
• pflanzliche vs. tierische Zelle Zellwand, Unterschiede, Gemeinsamkeiten pflanzlich: feste Zellwand aus Zellulose, darunter Plasmamembran tierisch: keine feste Zellwand, nur Plasmamembran ausschließlich pflanzlich: Plasmodesmen, Mittellamelle, Vakuolen, Chloroplasten (Lipidtropfen) ausschließlich tierisch: Desmosomen, Centriolen Gemeinsamkeiten: Lysosomen, GOLGI-Apparat/Dictyosomen mit GOLGI-Vesikeln, Cytosol (flüssige Bestandteile des Zellplasmas), freie Ribosomen, Endoplasmatisches Retikulum (ER) mit/ohne Ribosom, Zellkern (Nucleus), Nucleolus, Kernporen, Kernhüllen, Mitchondrien, Microbodies
• Zellorganellen: Definition Aufgaben von Zellwand, -membran und -plasma → Strukturen innerhalb der Zelle, die bestimmte Funktionen erfüllen zählen nicht zu den Zellorganellen 2. verleiht Form & Festigkeit: Pflanzen – Zellulose mit »Tüpfeln« (Öffnungen für den Stofftransport), Pilze – Chitin 3. Abgrenzung des Zellplasmas, semipermeabel zwecks Stoffaustausch (Zellen = offene Systeme) 4. Grundsubstanz, in der die Organellen eingebettet liegen; 70-90% Wasser
• Bestimmen https://images.gutefrage.net/media/fragen-antworten/bilder/4170337/0_original.jpg?v=1241613049000
• Zellorganellen: 1. Zellkern (Nucleus) 2. Mitochondrium 3. Microbody 4. Chloroplasten 5. Ribosom 6. endoplasmatisches Retikulum (ER) 7. GOLGI-Apparat 8. Dictyosomen 9. Lysosomen 10. Vakuolen 11. Biomembranen (keine Zellorganelle in dem Sinn) 12. Plasmodesmen 13. Mittellamelle 14. Desmosom 15. Centriolen »Steuerzentrum« der Zelle: enthält die DNA, Kernhülle besitzt Kernporen, die eine Verbindung zum Cytoplasma (dem Rest der Zelle minus Kern) bilden »Kraftwerk« der Zelle: erzeugt chemische Energie in Form von ATP durch Zellatmung + Fettsäureabbau bläschenartige Zellorganellen, in deren Reaktionsräumen vom Cytoplasma abgetrennte Stoffwechselprozesse stattfinden Ort der Fotosynthese → ausschließlich Pflanzen: enthalten Chlorophyll, bauen Kohlenhydrate aus Wasser und CO2 auf Ort der Proteinbiosynthese: in Cytoplasma, Mitochondrien, Chloroplasten Kanalsystem für Stoff- und Flüssigkeitstransport zwischen Zellorganellen (Calcium-Ionen → siehe Muskeln & Nerven): glattes ER (ohne Ribosomen), raues ER (mit Ribosomen besetzt) Herstellung von Sekretstoffen: besteht aus Dictyosomen »Postamt« der Zelle → Transport von Proteinen: aus Zisternen (= flachen Hohlräumen) aufgebaut Verdauungsorganellen: Enzyme bauen Proteine ab Speicher für Nährstoffe, Farbstoffe und Abfallstoffe: nur Pflanzenzellen, mit Flüssigkeit gefüllt, Tonoplast als Begrenzung nicht nur komplette Zellen, sondern auch einzelne Organellen von Biomembran begrenzt – manche Organellen (Zellkern, Mitochondrien, Chloroplasten) sogar Doppelmembran dünne Plasmastränge, die bei pflanzlichen Zellen durch die feste Zellwand hindurch Verbindung zur Nachbarzelle schaffen und von Biomembran umhüllt sind dünne plasmaartige Schicht zwischen benachbarten Pflanzenzellen Zellstrukturen in der Membran, die enge scheibenförmige Verbindungen zwischen Zellen herstellen (besonders bei mechanischer Belastung notwendig) zylinderförmige Zellorganellen aus Tubulin; bilden bei der Mitose in Paaren Ausgangspunkt für den Spindelapparat
• Zellkern nur bei Eukaryoten (bei Prokaryoten liegt die DNA frei in der Zelle) Speicherungsort des Erbguts – im Arbeitskern liegt die DNA offen, im Teilungskern kondensiert (in Chromosomen) vor DNA-Faden des Menschen misst ca. 1m → Aufwicklung und Unterteilung in 46 Chromosomen führt zu Verkürzung
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• Chromosomen? Chromosomensätze? Chromosomen des Menschen? aufgewickelte DNA (zur Verkürzung) Unterscheidung zwischen diploiden, haploiden und polyploiden Organismen haploid = einfacher Chromosomensatz diploid = doppelter Chromosomensatz polyploid = vielfacher Chromosomensatz (siehe Humangenetik: Euploidie) diploider Organismus mit 23 Chromosomenpaaren (= 46 Chromosomen) Keimzellen haploid, da Chromosomenzahl über Generationen konstant gehalten werden muss → bei Befruchtung (Verschmelzung von Spermium und Eizelle) ist die entstandene Zygote wieder diploid 46 Chromosomen unterteilt in 44 Autosomen + 2 Gonosomen → 22 homologe Autosomenpaare (je ein Chromosom vom Vater und eines von der Mutter) → geschlechtsbestimmende Chromosomen (XY = männlich, XX = weiblich (siehe gonosomale Geschlechtsbestimmung)
• Biomembranen: Aufgaben Kompartimentierung = schaffen getrennte Reaktionsräume, sodass verschiedene Stoffwechselvorgänge zur gleichen Zeit im Zellplasma und in den Zellorganellen ablaufen können Stoffaustausch zwischen der Zelle und der Umwelt sowie wischen den Organellen ermöglichen unterschiedliche Konzentrationen von Stoffen innerhalb der Zelle und der Organellen
• Lipide Moleküle, die sich im Wasser nicht lösen besitzen eine hydrophobe (Schwänzchen) und hydrophile Region (Köpfchen) bei Kontakt mit Wasser kommt es zur Bildung einer sogenannten Lipiddoppelschicht → es finden sich immer zwei Moleküle zusammen, sodass die Schwänzchen zueinander weisen, um den Wasserkontakt zu vermeiden
• Biomembranen: Fundort + Grundbauplan (»Flüssig-Mosaik-Modell«) um die Zelle und die Zellorganellen Doppellipidschicht, in die Proteine eingelagert sind Flüssig-Mosaik-Modell besagt, dass die Membran nicht starr, sondern flüssig ist → wird durch hydrophobe Wechselwirkungen zusammengehalten (Membranproteine (Rezeptoren oder Kanäle) können sich frei bewegen)
• Membrantransport: Allgemeines biologische Membranen sind semipermeabel ⇒ sie sind für bestimmte Stoffe, in diesem Falle welche mit kleinen Teilchen wie z.B. Wasser, durchlässig größere Teilchen können mit Hilfe von Membranproteinen passieren man unterscheidet passiven Transport (durch Diffusion und Osmose, daher ohne Energieaufwand) aktiven Transport (mit Energieaufwand) Membran verlagernden Transport
• Membrantransport: passiver Transport → Diffusion, Osmose? durch die Brown'sche Molekularbewegung induzierte Bewegung von Teilchen von Orten, die letztendlich zu einem Konzentrationsausgleich führt z.B. Abgabe von Traubenzucker aus dem Darm einseitige Diffusion durch eine semipermeable Membran höhere Konzentration an gelösten Stoffen außerhalb oder innerhalb der Zelle führt zu Wasserentzug oder -aufnahme (Platzgefahr!) Transport von Wassermolekülen aufgrund von unterschiedlich konzentrierter Zuckerlösungen: Konzentrationsausgleich angestrebt → Wasser strömt aufgrund von Konzentrationsgefälle durch die Membran zum Ort der höheren Konzentration → osmotischer Druck, der diesem Wasserstrom entgegenwirkt, entsteht → Osmose stoppt, sobald Gleichgewicht erreicht ist
• Membrantransport: aktiver Transport Energie wird verbraucht, möglich durch Carrier (= Porenproteine) Transport erfolgt gegen Konzentrationsgefälle → Energie (ATP) bewirkt Formveränderung von Membranprotein, wodurch ein Molekül durch die Membran geschleust werden kann)
• Membrantransport: aktiver Transport Ionenpumpen Steuerungsmöglichkeit der Ionenkonzentration in- und außerhalb der Zelle durch Transport gegen Konzentrationsgefälle entsteht sogenanntes Membranpotential
• Membrantransport: Membran verlagernder Transport Unterscheidung in Endocytose Exocytose
• Membrantransport: Membran verlagernder Transport Endozytose Aufnahme von Stoffen durch Abschnürung von Vesikeln ins Zellinnere Phagozytose (»Zellfressen«): feste Partikel werden aufgenommen (z.B. Nahrungsaufnahme der Einzeller) Pinozytose: gelöste Partikel mit Flüssigkeit aufgenommen
• Membrantransport: Membran verlagernder Transport Exozytose Abgabe von Stoffen aus der Zelle Produkte von Dictyosomen verpackt & zur Zellmembran geschickt; verschmelzen mit dieser und geben Stoffwechselergebnisse nach außen ab z.B. Fetttröpfchen aus dem Darmhohlraum
• Plasmolyse Deplasmolyse Pflanzenzelle in einer hypertonischen Lösung (Konzentration außen höher) Wasserentzug → die Zellmembran/der Protoplast (das Innere der Zelle) löst sich von der Zellwand ab und zieht sich zusammen Pflanzenzelle wieder in hypotonischer Lösung (Konzentration außen geringer) Wasseraufnahme → Zellmembran/Protoplast legt sich wieder an Zellwand an
• Inhaltsstoffe der Zellen: Aufzählung Wasser Proteine Lipide Kohlenhydrate Nukleinsäuren Porphyrine
• Inhaltsstoffe von Zellen: Wasser – Funktion in der Zelle, chemische Eigenschaften Mittel zur Temperaturregelung, Transportmittel, Lösungsmittel, Reaktionspartner Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen ausgebildet → dauernd neu gebildet (außer bei Eis = Kristallgitter) hohe Wärmekapazität, große Oberflächenspannung, hoher Schmelz- und Siedepunkt
• Inhaltsstoffe von Zellen: Lipide Sammelbezeichnung für Fette, Öle und Wachse löslich in unpolaren Flüssigkeiten (nicht in Wasser) aufgebaut aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff Unterteilung gesättigte Fettsäuren: keine Doppelbindungen zwischen C-Atomen ungesättigte Fettsäuren: eine Doppelbindung zwischen C-Atomen mehrfach ungesättigte Fettsäuren: mehr als eine Doppelbindung zwischen C-Atomen → je höher Anteil an ungesättigten Fettsäuren, desto gesünder
• Inhaltsstoffe von Zellen: Kohlenhydrate Zucker und Stärke wesentliche Energiequellen und Reservestoffe aufgebaut aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff Baueinheiten Monosaccharide (Einfachzucker) wie Glucose (Traubenzucker) und Fructose (Fruchtzucker) Zusammenlagerung von zwei Monosacchariden → Disaccharide (z.B. Maltose (Malzzucker) und Lactose (Milchzucker) Zusammenlagerung von drei oder mehr Monosacchariden → Polysaccharide (z.B. Stärke, Chitin, Glykogen, Zellulose)
• Inhaltsstoffe von Zellen: Nukleinsäuren Porphyrine Proteine Träger der Erbinformationen bestehen aus Nukleotiden (diese wiederum je aus einem Zucker, einem Phosphatrest und einer Stickstoffbase = Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin/Uracil) Farbstoffe (aus vier Pyrolringen bestehend) z.B. Hämoglobin, Chlorophyll Eiweiße aus Aminosäuren aufgebaut
• Energiehaushalt von Zelle und Organismus → Energieverbrauch → Energiezufuhr Zelle benötigt für alle Lebensvorgänge Energie (Wärme für Körpertemparatur, chemische Energie zum Stoffaufbau, etc.) erhalten diese durch Umsetzung von chemischen organischen Verbindungen, bei der Chemosynthese aus anorganischen Verbindungen und bei der Fotosynthese aus Lichtenergie
• Energiehaushalt von Zelle und Organismus Vorgänge in der Zelle Umsetzung von Stoffen innerhalb der Zelle in (meist umkehrbare) chemische Reaktionen umkehrbar → Säure + Alkohol zu Ester + Wasser und Ester + Wasser zu Säure + Alkohol chemisches Gleichgewicht wird erreicht: die Konzentration der Stoffe ändert sich nicht mehr Reaktion steht scheinbar still, verläuft aber eigentlich nur gleich schnell in beide Richtungen = geschlossenes System (durch Enzymgabe kann nur die Geschwindigkeit erhöht werden) um das Gleichgewicht zu stören, muss auf einer Seite Stoffzugabe oder -entnahme oder eine Druck-/Temperaturerhöhung stattfinden dadurch entsteht eine offenes System, bei dem die Reaktion in eine Richtung verläuft Reaktionen können endotherm oder exotherm sein endotherm = Energie wird hinzugefügt exotherm = Energie wird abgegeben frei werdende o. benötigte Energie = Reaktionswärme
• Energiehaushalt von Zelle und Organismus Adenosintriphosphat (ATP) ein Adenin- und drei Phosphatreste wichtigster Energiespeicher bzw. -überträger in der Zelle Entstehungsreaktion von ATP ist endergonisch (Energie wird zugefügt) → Adenosindiphosphat (ADP) wird Energie und ein Phosphatrest hinzugefügt: ADP + P + Energie → ATP Die erhaltene Energie kann das ATP in Rückreaktionen zu ADP wieder freisetzen ATP → ADP + P + Energie ⇒ weitere Reaktionen und damit Arbeitsleistungen in den Zellen ermöglicht
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• Energiehaushalt von Zelle und Organismus Grundumsatz vs. Leistungsumsatz Energiebedarf zur Aufrechterhaltung der Zellstruktur und der Funktion von Zellen, Organen und Geweben kann über abgegebene Wärmemenge oder indirekt über Sauerstoffverbrauch ermittelt werden z.B. respiratorischer Quotient: gibt Verhältnis zwischen eingeatmeten Sauerstoff und ausgeatmetem Kohlenstoffdioxid an → anders, je nachdem, welcher Nährstoff hauptsächlich zur Energiegewinnung verwendet wird (Kohlenhydrate = 1, Proteine & Fette = unter 1) zusätzlicher Energiebedarf, um Arbeiten verrichten zu können Bedarf hängt von Art der Arbeit ab (Muskelarbeit = groß, Denkarbeit = klein)
• Aufbau des Lichtmikroskops 1. Okular, 2. Tubus, 3. Objektiv, 4. Objektivrevolver, 5. Objekttisch, 6. Blende 7. Kondensor, 8. Triebrad, 9. Beleuchtung, 10. Stativ dem Auge zugewandtes Linsensystem, kann ausgewechselt werden, vergrößert wie Lupe Röhre, die Objektiv und Okular im richtigen Abstand/in richtiger Lage hält dem Objekt zugewandtes Linsensystem, vergrößert z.B. 10x, 40x, 100x verschiedene Objektive eingeschraubt, durch Drehung auswechselbar Objekt liegt in der Mitte des Tisches über Öffnung zur Regulierung von Helligkeit und Bildkontrast bündelt Licht Grob- und Feintrieb zur Scharfstellung des Objekts entweder Mikroskopierlampe o. Spiegel Basis des Mikroskops – alles Wesentliche des Geräts hier befestigt

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