Die Mikrowelt. der Zelle. 3.2 Zellmembranen aktive Grenzschichten 3.3 Mitochondrien sind die Kraftwerke. 3.4 Ribosomen dienen dem Aufbau

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1 Die Mikrowelt der Zelle 1 Kennzeichen der Lebewesen 2 Zellen sind mikroskopisch klein 2.1 Das Mikroskop macht das Innenleben der Zellen sichtbar 3 Organellen als Organe der Zelle 3.1 Der Zellkern ist die Steuerzentrale der Zelle 3.2 Zellmembranen aktive Grenzschichten 3.3 Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle 3.4 Ribosomen dienen dem Aufbau körpereigener Proteine 3.5 Endoplasmatisches Reticulum (ER) wichtiges Kanalsystem 3.6 Der Golgi-Apparat Ausscheidungsund Transportsystem 3.7 Peroxisonen 4 Pflanzenzellen sehen anders aus 4.1 Plastiden eine Besonderheit der Pflanzenzellen 4.2 Vakuolen sind Zellsafträume 4.3 Die Zellwand umgibt die Pflanzenzelle 5 Prokaryoten und Eukaryoten 6 Die formenreiche Welt der Einzeller 6.1 Sind Augentierchen tier- oder pflanzenähnlich? 6.2 Protozoen tierähnliche Einzeller mit vielfältigen Lebensweisen 6.3 Peroxisomen 7 Vom Einzeller zum Vielzeller 7.1 Algenkolonien vom pflanzlichen Einzeller zum Vielzeller 7.2 Einfache Vielzeller im Tierreich

2 Chemische Evolution Entwicklung einfachster organischer Moleküle zu Makromolekülen aus Komponenten der Uratmosphäre und der Urmeere der Erde Stanley Miller ( ) = amerik. Biologe und Chemiker, führte 1953 die ersten Experimente mit "Ursuppen" durch Schwarze Raucher heiße vulkanische Quellen in der Tiefsee mit hohem Gehalt an Sulfiden und Schwermetallen Protobionten (griech. protos = erster; griech. bios = Leben) = die mit der Fähigkeit zur Selbstvermehrung System Einheit aus mehreren Elementen, die miteinander in Beziehung stehen; das System kann belebt oder unbelebt sein; Biologische Evolution Entwicklung der Lebewesen von den Protobionten über die Prokaryoten zu den Eukaryoten Die ältesten bekannten Lebensspuren auf unserer Erde sind 3,8 Milliarden Jahre alt. Es ist daher anzunehmen, dass sich nach der Entstehung der Erdkruste vor etwa 4,5 Milliarden Jahren Vorgänge abgespielt haben, die zur Bildung einfachster lebender Strukturen aus leblosen Stoffen führten. Als gängige Hypothese gilt heute, dass im Zuge einer chemischen Evolution die ersten organischen Moleküle entstanden sind. Unter den damals herrschenden Bedingungen (u. a. extrem hohe UV-Strahlung, Hitze und elektrischen- Entladungen) sollen sich im Ozean aus anorganischen Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid, Methan und Ammoniak die ersten organischen Moleküle (z. B. Aminosäuren) gebildet haben. Im Rahmen der Miller schen Versuche, in denen diese Bedingungen nachgebildet wurden, konnten alle wesentlichen Bausteine der Lebewesen erzeugt werden. Als Entstehungsort werden meist flache, warme Meeresbuchten vermutet. Die Bildung erster Zellbausteine könnte auch an den so genannten Schwarzen Rauchern verbreitete vulkanische Quellen in der Tiefsee stattgefunden haben. 1 Kennzeichen der Lebewesen Abb. 29: Alle Lebewesen verbinden die Kennzeichen des Lebens Folgende Kennzeichen charakterisieren das Phänomen Leben: Aktive Bewegung: Plasmabewegung, Geißelbewegung und Flimmerbewegung sind beispielsweise typisch für Einzeller ( S. 48), Muskelbewegung für Wirbellose und Wirbeltiere, Turgor- und Wachstumsbewegung für Pflanzen. Fortpflanzung: Leben geht immer aus anderem Leben hervor dieses Grundphänomen heißt Biogenese. Dabei werden die Erbanlagen weitergegeben, die bei allen Lebewesen in der DNA gespeichert sind. Als erste Vorstufen der Zellen gelten einfache, hohle Membrankugeln die Protobionten. Sie bestanden vermutlich aus einer Nucleotidmembran, abiotisch gebildeten Proteinen und Nucleinsäuren sowie einem einfachen Apparat zur Energiegewinnung und zur Informationsübertragung. Die Voraussetzung für die Bildung der ersten echten Zellen schufen jedoch die Proteinbiosynthese ( S. 41) und die Mechanismen der Vererbung. Deren Entstehung ist derzeit noch ungeklärt, jedoch waren sie wesentlich für den Beginn der biologischen Evolution. Abb. 27: Protobionten Abb. 28: Schwarze Raucher Stoffwechsel: Stoffe werden aus der Umgebung aufgenommen und mit Hilfe von Enzymen um-, auf- und wieder abgebaut und ausgeschieden. Zellen sind offene Systeme, weil sie mit ihrer Umgebung Stoffe und Energie austauschen. Ein Strom von Stoffen fließt durch den Körper (Fließgleichgewicht). Der Stoffwechsel ist so geregelt, dass die Zelle innerhalb bestimmter Grenzen eine konstante Zusammensetzung hat. Diese Aufrechterhaltung des Gleichgewichts nennt man Homöostase. Energieumsatz: Energie wird aufgenommen, umgewandelt und wieder abgegeben. Durch den Abbau energiereicher Stoffe wird Energie freigesetzt, die für die Organismen nutzbar ist. Ein Teil dient als chemische Energie den Stoffwechselreaktionen, ein anderer Teil wird als Wärme frei. Wachstum und Entwicklung: Wachstum bedeutet die Vermehrung der Körpermasse durch den Aufbau körpereigener Stoffe. Im Zuge der evolutionären Anpassung werden neue Formen und Eigenschaften ausgebildet. Diese Prozesse sind nicht umkehrbar! Reizbarkeit: Organismen reagieren in bestimmter Weise auf Reize ihrer Umwelt. Sie antworten auf Einflüsse von außen und können sich dadurch auf veränderte Umweltbedingungen einstellen (Selbstregulation). Systemcharakter: Zellen sind belebte Systeme, d. h. die einzelnen Teile einer Zelle sind isoliert nicht lebensfähig. Erst ihr Zusammenwirken ermöglicht Eigenschaften, die wir als Kennzeichen des Lebendigen bezeichnen können. Alle diese Eigenschaften des Lebens ergeben sich bei Organismen aus dem hochgradig geordneten System der Lebewesen. 30

3 2 Zellen sind mikroskopisch klein Die Zelle ist die Grundeinheit aller Lebewesen. Sie vereinigt alle Merkmale in sich, die wir als typisch für das Lebendige ansehen. Zellen haben meist eine Größe von 0,001 bis 0,1 mm. Bakterien als kleinste Zellen sind weniger als 0,001 mm groß. Man misst sie in Mikrometer (μm). Ein effektiver Stoffaustausch begrenzt die Größe einer Zelle entscheidend. Für den Stoffaustausch durch die Membranen ist eine große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen wichtig. Wenn eine Zelle zu groß wird, erfolgt der Stoffaustausch von der Außenmembran ins Zellinnere zu langsam. Dadurch kann die Zelle nicht mehr ausreichend versorgt werden. 1 μm = 0,001 mm ÜBRIGENS sind weiße Blutkörperchen 7 bis 20 μm und rote Blutkörperchen etwa 7,5 μm klein. Beide sind unter dem Mikroskop sichtbar. messen menschliche Eizellen 200 bis 250 μm, also etwa ¼ mm, und sind daher mit freiem Auge sichtbar! werden pflanzliche Faserzellen bis zu 50 cm lang. erreichen Nervenzellen mit ihren Fortsätzen (Neuriten) eine Länge von bis zu 1 m. ist das Straußenei mit einem Längsdurchmesser von etwa 15 cm und einem Gewicht von an die 2 kg (= ca. 24 Hühner eier) die größte tierische Zelle. Abb. 30: Zellen im Größenvergleich MINI Die Zelle ist ein offenes System Workshop Suche nach Strukturen in deinem Alltag, die man auch als System bezeichnet, und notiere sie. Lies erneut die Definition für System. Finde Argumente, die beweisen, dass die von dir gefundenen Strukturen tatsächlich offene oder geschlossene Systeme sind. Diskutiert in der Gruppe und notiert eure Ergebnisse. 31

4 Auflösungsvermögen kleinster Abstand zweier Punkte, bei der diese noch getrennt wahrgenommen werden können 2.1 Das Mikroskop macht das Innenleben der Zellen sichtbar Mit Hilfe eines Mikroskops können die Strukturen der Zellbestandteile stark vergrößert werden. Für die Leistungsfähigkeit eines Mikroskops ist die Vergrößerung, aber auch das Auflösungsvermögen entscheidend. Ein gutes Lichtmikroskop kann Zellen und größere Zellbestandteile sichtbar machen, die Feinstrukturen können nur im Elektronenmikroskop deutlich aufgelöst werden. Abb. 31: Pflanzenzelle (links) und tierische Zelle (rechts) im Lichtmikroskop schematisch) Zellplasma Zellkern Zellsaftraum Zellwand Zellmembran Farbstoffträger (Chloroplast) sichtbares Licht Licht, das vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann; liegt in einem Wellenbereich von 380 bis 750 nm Nanometer (nm) 0,001 μm = 106 mm Lichtmikroskop (LM) Das Untersuchungsmaterial wird von sichtbarem Licht durchstrahlt. Mehrere Systeme aus Glaslinsen erzeugen durch Lichtbeugung ein vergrößertes Abbild. Der Kondensor bündelt das Licht der Strahlungsquelle. Das Auflösungsvermögen ist durch die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes begrenzt und liegt bei etwa 200 nm. Moderne LM erreichen eine bis zu fache Vergrößerung mit ausreichender Auflösung. Die Untersuchung von lebenden, präparierten und gefärbten Objekten ist möglich. Elektronenmikroskop (EM) Das Elektronenmikroskop arbeitet mit Elektronenstrahlen, deren Wellenlänge erheblich kleiner ist als die des sichtbaren Lichtes. Zur Ablenkung und Bündelung der Strahlen werden elektrische oder magnetische Felder verwendet. Die Darstellung des Bildes erfolgt auf Leuchtschirmen oder auf fotografischen Platten. Mit der Geschwindigkeit der Elektronen verkürzt sich die Wellenlänge der Strahlen. Das Auflösungsvermögen eines EM ist mit etwa 0,1 nm begrenzt. Mit dem Elektronenmikroskop erreicht man eine bis zu fache Vergrößerung. Da im Inneren des EM ein Vakuum herrscht, können nur speziell präparierte Objekte und keine lebenden Zellen untersucht werden. Okular Elektronenquelle (Glühkathode) Stativ elektronische Linse (Kondensor) Objektivrevolver Objektiv Objekt Objektschacht + Objekt elektronische Linse (Objektiv) Vakuum Kondensor (lat. condensare = bündeln) = Linsensystem, welches das Mikroskoplicht im Strahlengang bündelt, um das Präparat möglichst hell auszuleuchten Objekttisch Blendenring Kondensor Lichtquelle Scharfstellrad elektonische Linse (Projektiv) Okular (Glaslinsen) Leuchtschirm, Sensor 32 Abb. 32: Lichtmikroskop (links) und Elektronenmikroskop (rechts)

5 Größenvergleich 1. Schätze die Größen der folgenden Organismen bzw. Zellen und ordne sie von der größten zur kleinsten. Jede richtige Reihung bringt einen Punkt. Euglena Amöbe Schmuckalge: Micrasterias die größten Nervenzellen weiße Blutkörperchen Pantoffeltierchen typische Pflanzenzelle Bakterien menschliche Eizellen Straußenei 2. Ergänze dann mit Hilfe deines Buches die realen Größenwerte in Form einer Tabelle. QUIZ Wie sehen die Zellen einer Küchenzwiebel aus? Workshop Material: Küchenzwiebel, Pinzette, Skalpell (alternativ: Rasierklinge), Objektträger, Deckglas, Pipette oder Glasstab, Methylenblau, Neutralrot, Filterpapier, Mikroskop, Anleitung zum Mikroskopieren unter Aufgaben: Vergleiche dein Mikroskop mit der Abb. 32 und mache dich mit den einzelnen Teilen vertraut. Studiere die Anleitung zum Mikroskopieren genau, bevor du in deiner Gruppe die weiteren Aufgaben bearbeitest. Anleitung zur Herstellung eines Präparates: An der Innenseite einer Zwiebelschuppe schneidet man mit dem Skalpell ein kleines Fenster aus und löst das zarte Häutchen mit der Pinzette ab. Mit einer Pipette oder einem Glasstab gibt man einen Tropfen Wasser auf den Objektträger und legt das Zwiebelhäutchen hinein. Nun deckt man das Häutchen vorsichtig mit einem Deckglas ab, sodass keine Luftblase eingeschlossen wird. Anschließend fixiert man den Objektträger auf dem Objekttisch des Mikroskops. Stellt ein Präparat nach Anleitung her und beobachtet das Bild im Mikroskop. Wenn ihr ein scharfes Bild eingestellt habt, erkennt ihr die regelmäßigen Zellen des Zwiebelhäutchens. Setzt mit einer Pipette auf einer Seite des Deckglases einen kleinen Tropfen Neutralrot ab. Saugt nun mit dem Filterpapier, das an der anderen Deckglasseite angedrückt wird, die Farbstofflösung durch das Präparat auf. Notiert eure Beobachtungen. Zeichne möglichst groß auf ein DIN-A4-Blatt, was du im mikroskopischen Bild sehen kannst. Beschrifte die Zellbestandteile. Das Plasma hebt sich deutlich von der starren Zellwand ab. Es beginnt, sich rot zu färben. Stellt wie oben beschrieben ein neues Präparat her, färbt es in gleicher Weise mit Methylenblau und beobachtet die Veränderung. Kleine rundliche Gebilde in der Mitte der Zellen färben sich blau. Die Zellkerne werden sichtbar. Zeichne möglichst groß auf ein DIN-A4-Blatt, was du im Mikroskop erkennen kannst. Beschrifte die in deiner Zeichnung dargestellten Zellbestandteile (Beachte folgende Kriterien, die eine naturwissenschaftliche Zeichnung kennzeichnen: Zeichne alles, was du bei genauer Betrachtung siehst, mit deutlichen durchgängigen Strichen und so groß wie möglich) Während Neutralrot vorwiegend das Plasma färbt, wirkt Methylenblau auf den Zellkern. 33

6 Organellen kleine Organe = abgegrenzte Bereiche in der Zelle, die wie die Organe eines vielzelligen Körpers bestimmte Funktionen erfüllen 3 Organellen als "Organe" der Zelle Betrachten wir eine Zelle im Elektronenmikroskop ( Abb. 32), erkennen wir eine Reihe von Strukturen. Man nennt sie Organellen, weil sie wie die Organe eines vielzelligen Körpers bestimmte Aufgaben erfüllen. Kernkörperchen Nach außen ist die Zelle von einer Zellmembran umschlossen. Die meisten Organellen im Plasma sind ebenfalls von Membranen umgeben, die den gleichen Aufbau wie die Zellmembran haben. Der organellenfreie Teil des Cytoplasmas wird als Grundplasma bezeichnet. Es besteht zu 60 bis 90 % aus Wasser und enthält Eiweiße, Kohlehydrate, Fette, fettähnliche Stoffe (Lipoide) und Salze. Kernmembran Dictyosom Mitochondrium Kernpore Kernplasma Zellplasma (= Cytoplasma) Lipoidtröpchen Endoplasmatisches Reticulum Zellpore Zellmembran Ribosomen Abb. 33: Tierische Zelle im EM (schematisch) Frischpräparate und Dauerpräparate EXTRA Zur mikroskopischen Betrachtung biologischer Objekte werden unterschiedliche Präparate hergestellt. Bei pflanzlichem Material verwendet man häufig dünne Schnitte, die man zum Beispiel mit einer Rasierklinge anfertigen kann. Werden sie direkt untersucht, erlauben sie das Beobachten der Zellen in lebendigem Zustand. Diese sogenannten Frischpräparate sind aber meist wenig kontrastreich und nicht lange haltbar. Für eine kontrastreichere Darstellung kommen verschiedene Fixierungs- und Färbemethoden zum Einsatz. Durch die Fixierung des Präparats (z. B. mit Alkohol oder Formalin (Formol)) werden allerdings die Zellen abgetötet. Ein großer Vorteil dieser Dauerpräparate ist deren lange Haltbarkeit. Zusätzlich besteht die Darstellungsmöglichkeit bestimmter Strukturen durch vielfältige, spezifische Färbungen (z. B. Zellwand durch Gram- Färbung). Manche Organellen sieht man auch im Lichtmikroskop MINI Workshop Vergleiche die Abb. 31 mit der Abb. 33. Beschreibe den wesentlichen Unterschied. Erinnere dich an die Beobachtungen im Workshop S. 31. Welche Organellen sind im lichtmikroskopischen Bild zu erkennen? Notiere. 34

7 Was kannst du über die Zellorganellen erfahren? Material: buntes Papier, Schere, Klebstoff, Watte, Schnüre etc. Aufgaben: Workshop Betrachte die Abb. 33 genau! Sie zeigt den schematischen Aufbau einer tierischen Zelle mit ihren Organellen. Stelle nach dem untenstehenden Muster eine Tabelle her und trage Namen und schematische Zeichnungen der Organellen darin ein. Stelle den Zusammenhang zwischen Aufbau und Funktion her. Schreibe das Ergebnis in die entsprechende Spalte. Suche dann in den folgenden Kapiteln nach genaueren Informationen und ergänze die Tabelle! Hilfe erhältst du auch im Internet unter Interaktive Übung zur Zelle. Name der Organelle Schematische Zeichnung Beschreibung (Zahl, Form, Lage, Größe, Sonstiges ) Funktion(en) begründen Zellkern Zahl: 1 Form: rund bis oval Lage: im Plasma meist bei Tieren in Zellmitte, bei Pflanzen am Rand Sonstiges: relativ groß, von Doppelmembran mit Kernporen umgeben; netzartiges Gerüstwerk im Inneren Weil der Zellkern DNA enthält, dient er als Informationsspeicher, der Steuerung des Zellstoffwechsels, der Weitergabe der Erbinformation Sucht euch jeweils eine/n Partner/in, vergleicht eure Tabellen und überprüft die Richtigkeit mit Hilfe der Texte im Buch. Jede Gruppe sucht sich ein Organell aus und bastelt das Modell dazu. Präsentiert euer Modell der Klasse, indem ihr Struktur und Funktionen des Organells anhand eures Modells erklärt. Vielleicht schafft ihr es, als gesamte Klasse eine komplette Zelle mit allen wichtigen Organellen zusammen zu stellen ein lohnendes Objekt für eine kleine Ausstellung! Sprecht euch innerhalb der Klasse untereinander ab! 3.1 Der Zellkern ist die Steuerzentrale der Zelle Der Zellkern (Nucleus) ist auch im Lichtmikroskop als rundliches oder ovales Gebilde erkennbar. Er ist durch eine von Poren durchsetzte doppelte Membran vom Grundplasma abgegrenzt. Diese Kernmembran steht mit dem Endoplasmatischen Reticulum ( S. 41) in Verbindung. Im Inneren befindet sich das Kernplasma, in dem fadenförmige Strukturen eingebettet sind. Sie erscheinen im Lichtmikroskop als netzartige Struktur und werden als Chromatin bezeichnet. Das Chromatin stellt die Erbsubstanz dar. Es besteht aus den so genannten Nucleoproteiden, die sich aus Desoxyribonucleinsäure (DNS oder engl. DNA) und verschiedenen Eiweißstoffen zusammensetzen. Endoplasmatisches Reticulum Kernkörperchen Abb. 34: Bau des Zellkerns (schematisch) Kernmembran Kernpore Kernplasma + DNA (Chromatin) nucleus lat. = Kern Nucleinsäuren Kernsäuren; sind wichtige Bestandteile des Zellkerns und für die Speicherung und die Weitergabe der Erbanlagen verantwortlich Desoxyribo- NucleinSäure (DNS = DNA: A steht für engl. acid = Säure) = Bestandteil der Chromosomen, findet sich auch in Chloroplasten und Mitochondrien ( S. 40). 35

8 Chromosom (griech. chroma = Farbe, soma = Körper) = Transportform der DNA während der Zellteilung; gut anfärbbar Chromosomensatz Gesamtheit der Chromosomen im Zellkern Nucleolus (lat. = kleiner Kern) = Kernkörperchen (Mehrzahl: nucleoli) RiboNuclein-Säure (RNS = engl. RNA) Nucleinsäuren; sind im Zellkern, in den Mitochondrien, den Ribosomen und den Chloroplasten enthalten ÜBRIGENS Vor jeder Zellteilung rollen sich die feinen Chromatinfäden zu kompakten Chromosomen auf. Diese bestehen jeweils aus einem stark spiralig aufgewundenen Faden der DNA, der von Eiweißstrukturen gestützt wird. Jede Organismenart besitzt eine für sie charakteristische Anzahl von Chromosomen den Chromosomensatz. Einzelne Abschnitte auf der DNA werden Gene oder Erbanlagen genannt. Diese Gene legen die Eigenschaften eines Organismus fest. Durch die Weitergabe der DNA werden diese Eigenschaften auf die nächste Generation weitervererbt. Im Kernplasma liegen meist zwei Kernkörperchen (Nucleoli), in denen sich eine weitere Nucleinsäure befindet, die ribosomale Ribonucleinsäure = r-rna (r-rns). Diese r-rna ist zur Bildung der Ribosomen ( S. 41) erforderlich. besitzen alle Körperzellen des Menschen 46 Chromosomen (Chromosomensatz = 46) davon stammen 23 vom Vater und 23 von der Mutter. haben Geschlechtszellen des Menschen (Ei- und Spermienzelle) jeweils nur 23 Chromosomen. Erst nach ihrer Verschmelzung bei der Befruchtung entsteht wieder eine Zelle (Zygote) mit 46 Chromosomen, aus der sich der Embryo entwickelt. besitzt der Chromosomensatz des Haushuhns 78, jener der Hausmaus 40 und der einer Stechmücke 6 Chromosomen. Die Chromosomenzahl ist also kein klarer Hinweis auf die Entwicklungshöhe des Organismus Der Zellkern erfüllt lebenswichtige Aufgaben Als Träger der Erbanlagen (Gene): Die Informationen für die zahlreichen Eigenschaften eines Lebewesens sind in der DNA gespeichert. Die DNA enthält Baupläne für Eiweißstoffe unterschiedlicher Funktion (z. B. für Enzyme zur Steuerung des Zellstoffwechsels). Für die Weitergabe der Erbanlagen an die Tochterzellen im Zuge der Zellteilung. Eiweißgerüst { DNA-Doppelhelix komplementär ergänzend (eine Kette der DNA ist das ergänzende Gegenstück zur anderen Kette) 36 helix lat. = Schnecke Basensequenz Abfolge der Basen in der DNA Warum die DNA so einzigartig ist Die Baueinheiten der DNA nennt man Nucleotide. Jedes Nucleotid ist aus einem Zuckermolekül (Desoxyribose), einem Molekül Phosphorsäure und einem Molekül einer stickstoffhaltigen organischen Base zusammengesetzt. Es gibt vier verschiedene Basen Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G) die vier verschiedene Nucleotide bilden. Die DNA besteht aus zwei langen Nucleotidketten, in denen immer ein Thymin mit einem Adenin und ein Cytosin mit einem Guanin verbunden sind (Wasserstoffbrücken-Bindung). Dadurch liegen einander zwei komplementäre Ketten gegenüber, die eine so genannte Doppelhelix bilden. Die Ketten umwinden sich in regelmäßigen Schraubengängen, sodass das ganze Molekül mit einer in Längsrichtung gedrehten Strickleiter verglichen werden kann. Die Basenpaare stellen dabei die Sprossen der Leiter dar ( Abb. 35). Gene sind bestimmte Abschnitte auf der DNA. Sie enthalten die Bauanleitung für Proteine. Die Information steckt in der Abfolge der verschiedenen Basen (Basensequenz). Drei Basen (ein Basentriplett) stehen für eine bestimmte Aminosäure. So definiert etwa das Basentriplett GCU die Aminosäure Alanin, während GGU für Glycin steht. Jedes Triplett ist eindeutig. Eine bestimmte Aminosäure kann durch verschiedene Basentripletts codiert werden. So stehen GCU, GCC, GCA und GCG alle für Alanin. Spiralisierung der DNA Doppelhelix Chromosom mit 2 Chromatiden { Abb. 35: DNA-Doppelhelix Aufbau eines Chromosoms im Überblick

9 Die in der DNA gespeicherte Information wird bei jeder Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben. Das ist möglich, weil die DNA die einzigartige Fähigkeit besitzt, sich vor jeder Kernteilung identisch zu kopieren (Identische Reduplikation = IR). Dazu werden die beiden Ketten enzymatisch getrennt, und jeder Einzelstrang dient als komplementäre Vorlage für einen neuen Gegenstrang, der sich aus freien Nucleotiden des Kernplasmas neu zusammensetzt. Identische Reduplikation die Fähigkeit der DNA, sich selbst identisch (bis zu jedem Atom exakt) zu kopieren Komplementäres Nucleotid lagert sich an Enzyme trennen die Doppelhelix Nucleotide im Kernplasma Abb. 36: Chemische Bausteine der DNA Abb. 37: Identische Reduplikation der DNA Multiple Choice: DNA Finde die richtigen Antworten und kreuze sie an. Achtung, es können auch mehrere Antworten richtig sein! Auswertung: Jede richtige Antwort bringt einen Punkt, jede falsche Antwort einen Punkteabzug. Du hast drei Minuten Zeit viel Erfolg! 1. Aus welchen chemischen Bausteinen besteht ein Nucleotid? Zuckermolekül organische Base Eiweißrest Phosphorsäure 2. Welche Substanz ist keine der vier organischen Basen der DNA? Arginin Thymin Guanin Cytosin 3. Wie kann man den zweifach gewundenen DNA-Faden bezeichnen? Wasserstoffbrücke Basentriplett Doppelhelix komplementäre Nucleotidketten QUIZ 4. Aus wie vielen Chromosomen besteht der vollständige Chromosomensatz des Menschen? Welche Bezeichnung wird durch DNS abgekürzt? Desoxyribonucleinsäure Ribonucleinsäure Desoxyriboflavinsäure Desoxyribose 37

10 ÜBRIGENS vermögen in der DNA vier frei kombinierbare Zeichen, nämlich die vier Basen, genetische Information zu speichern. Theoretisch können 64 unterschiedliche Aminosäuren kodiert werden das sind weit mehr als notwendig! Benötigt werden in unserem Körper nur 20 Aminosäuren, und einige Tripletts kodieren dieselbe Aminosäure. besitzt die DNA des Menschen über 3 Milliarden Basenpaare, die etwa Gene bilden. enthält die DNA des Darmbakteriums Escherichia coli nur etwa Gene. ist die DNA einer einzelnen menschlichen Zelle aneinandergereiht etwa 1,80 m lang. wurde das menschliche Genom im Jahre 2003, nach 15-jähriger Arbeit, erstmals vollständig entschlüsselt. 3.2 Zellmembranen aktive Grenzschichten Membranen sind Grenzschichten zwischen Zellen und grenzen die Organellen gegen das Cytoplasma ab. Sie regulieren den Stoffaustausch innerhalb der Zelle sowie zwischen den Zellen und ihrer Umgebung. Zellmembranen sind selektiv permeabel (auswählend durchlässig). Sie können entsprechend ihrer Aktivität die Struktur und die Durchlässigkeit für bestimmte Stoffe verändern. Auf diese Weise kann die Auswahl der Stoffe an den jeweiligen Bedarf angepasst werden. hydrophil (griech. hydro = Wasser, philos = Freund) = wasserliebend hydrophob (griech. phobos = Angst) = wasser-feindlich (z. B. Fette). Sie lösen sich nicht in Wasser. amphiphil (griech. amphí = beides, philos = liebend) = zeigt hydrophile und hydrophobe Eigenschaften Hydrophil und hydrophob Der Grund für die Wasserfreundlichkeit hydrophiler Stoffe liegt in ihrem Molekülbau. Sie sind polar wie das Wassermolekül, in dem der Sauerstoff (O) die Elektronen stärker anzieht als die Wasserstoffatome (H). Die sogenannte Elektronegativität ist also bei Sauerstoff größer. Dadurch entsteht am O ein negativer Pol, an den H-Atomen aber jeweils ein positiver Pol. Das Wassermolekül ist demnach ein Dipol. Ein anderes polares Molekül entwickelt elektrostatische Anziehungskräfte zu den Polen des Wassermoleküls. Es bildet sich eine Wasserstoffbrücken-Bindung eine schwache chemische Bindung. Hydrophobe Stoffe hingegen sind unpolare Moleküle wie die langen Kohlenwasserstoffketten ( Abb. 38) in den Fetten, die keine Dipole bilden und daher wasserabweisend sind. Phospholipide sind amphiphil, d. h. sie bestehen aus einem hydrophilen und einem hydrophoben Teil. Auf Grund dieser molekularen Struktur ordnen sich die beiden Anteile innerhalb der Membrandoppelschicht so an, dass die hydrophoben Molekülteile nach innen und die hydrophilen nach außen zeigen. Ein Teil ist hydrophil, um vom wasserhaltigen Zellplasma nicht abgestoßen zu werden. Ein anderer Teil ist hydrophob und bildet eine Barriere für wasserlösliche Stoffe. EXTRA Abb. 38: Polare Moleküle (z. B. Wasser, oben) und unpolare Moleküle (z. B. Hexan, unten) hydrophil hydrophob hydrophil hydrophob hydrophil Abb. 39: Hydrophile und hydrophobe Anteile in einer Membran 38

11 3.2.1 Passive und aktive Transportvorgänge regeln den Stoffaustausch Für den aktiven Transport muss Energie aufgebracht werden. Der passive Transport kann ohne zusätzliche Energiezufuhr erfolgen; er ist aber nur für kleine, molekulare Teilchen (z. B. Wassermoleküle) möglich. Der passive Stofftransport erfolgt durch die physikalischen Vorgänge Diffusion und Osmose Unter Diffusion versteht man einen physikalischen Vorgang, der zu einer gleichmäßigen Verteilung unterschiedlicher Teilchen führt. Grundlage dieses Prozesses ist die thermische Eigenbewegung der Teilchen, die so genannte Brown sche Molekularbewegung. Je höher die Temperatur ist, desto stärker bewegen sich die Teilchen. Schichtet man Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Konzentration vorsichtig übereinander, so bewegen Wasser Salz sich die Moleküle beider Flüssigkeiten so lange vom Ort höherer Konzentration zum Ort niederer Konzentration, bis eine gleichmäßige Verteilung der Moleküle erreicht ist (Konzentrationsausgleich). Osmose nennt man die Diffusion durch eine selektiv permeable Membran bis zum Konzentrationsausgleich. Trennt man zwei verschieden konzentrierte Lösungen durch eine Membran, die zwar das Lösungsmittel (z. B. Wasser), nicht aber den gelösten Stoff (z. B. Zucker) durchtreten lässt, so wandern die Wassermoleküle zur Seite der höher konzentrierten Lösung. Da auf diese Weise das Flüssigkeitsvolumen auf der Seite der ursprünglich höheren Konzentration zunimmt, entsteht hier ein Überdruck, der osmotische Druck. Alle Zellmembranen sind selektiv permeabel. Diffusion und Osmose ermöglichen den Stoffaustausch und regeln den Wasserhaushalt der Zellen. Raum 2 Zellmembran Raum 1 Diffusion Bewegung gelöster Stoffe aus einem Bereich von hoher Konzentration in einen Bereich niedrigerer Konzentration Konzentration Anzahl der Teilchen in einer bestimmten Flüssigkeitsmenge selektiv permeabel (lat. selectio = Auswahl, permeare = durchgehen) = nur für bestimmte Moleküle durchlässig Osmose Diffusion durch eine selektiv permeable Membran, die das Lösungsmittel (z. B. Wasser), nicht aber die darin gelösten größeren Moleküle durchlässt. Wasser + Salz Wasser Abb. 41: Osmose durch eine Membran Abb. 40: Diffusion von Salz in Wasser Warum platzen Kirschen auf, wenn es regnet? Workshop Material: Leitungswasser, Becherglas, Waage, stark zuckerhaltige Früchte (Kirschen, Zwetschken, Weintrauben) Aufgaben: Entwickelt mit den oben genannten Materialien eine Versuchsanordnung, die es ermöglicht, den Konzentrationsausgleich durch selektiv permeable Membranen zu beobachten. Führt den Versuch durch und protokolliert ihn. Bedenkt bei der Durchführung, dass der Vorgang ein bis zwei Stunden dauert. Interpretiert eure Beobachtungen und formuliert eine Erklärung für die Veränderung der Früchte. Den Workshop Wie verhält sich Himbeersirup in Wasser? findest du online auf 39

12 Zuckermolekül-Seitenkette Helix-Protein { Phospholipide Globuläres Protein Cholesterin hydrophober Abschnitt hydrophober Anteil hydrophiler Anteil Lipoide (griech. lipos = Fett) = Sammelbezeichnung für fettartige, hydrophobe Substan-zen; z. B. Butter und Olivenöl (Triglyceride), Membranfette (Phospholipide) sowie Cholesterin und die Geschlechtshormone globuläre Proteine kugelförmige Eiweiße, Bestandteil der Zellmembranen Helix-Proteine (lat. helix = Schraube) = kettenförmige Eiweiße, Bestandteil der Zellmembranen Mikrovilli (lat. mikros = klein, villus = Zotte) = fadenförmige Zellfortsätze zur Oberflächenvergrößerung Abb. 42: Modell einer Zellmembran: (schematisch) Zellmembranen bestehen aus einer Doppelschicht von Phospholipiden, die nach außen hydrophile und nach innen hydrophobe Anteile aufweisen. Eingelagerte Cholesterinmoleküle verstärken die Schicht. Kugelförmige (globuläre Proteine) und kettenförmige Eiweiße (Helixproteine) sind in der Lipoidschicht eingebaut. An den aus der Membran herausragenden Anteilen tragen die Proteine Zuckermoleküle als Seitenketten. Durch aktiven Stofftransport werden größere Moleküle sowie Ionen transportiert Der Transport der größeren Moleküle und Ionen erfolgt mit Hilfe eigener Transportmoleküle der Zellmembranen. Als Transportmoleküle fungieren: Globuläre Proteine, die für den Austausch von Ionen und von verschiedenen Molekülen wie z. B. Aminosäuren verantwortlich sind. ÜBRIGENS Helix-Proteine, die als Rezeptoren für zellfremde Moleküle dienen. Diese Transportproteine binden diese Moleküle vorübergehend und transportieren sie durch die Membran. bilden die Zellmembranen mancher Zellen zusätzlich feine Ausstülpungen, die Mikrovilli genannt werden. Sie vergrößern die Oberfläche und verbessern dadurch die Fähigkeit zum Stoffaustausch, z. B. die Nährstoffaufnahme durch die Darmwand. sind die Membranen benachbarter Zellen in vielzelligen Organismen durch spezielle Kontaktstellen miteinander verbunden. Über Plasmafäden innerhalb dieser Verbindungskanäle können Stoffe ausgetauscht werden. Mitochondrium (griech. mitos = Faden; griech. chondros = Korn) = Organell der Zelle; dient der Zellatmung (Mz. Mitochon-drien) Adenosintriphosphat (ATP) energiereiche Verbindung, aufgebaut aus einem Molekül Zucker und drei Molekülen Phosphorsäure; Energieüberträgerstoff in den Zellen aller Organismen Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle äußere Membran innere Membran Matrix Ribosomen DNA Abb. 43 Mitochondrium Mitochondrien (Einzahl: Mitochondrium) haben stäbchen- bis kugelförmige Gestalt. Sie sind von einer Doppelmembran umgeben. Im Innern befindet sich die zentrale Grundsubstanz (Matrix), die Ribosomen und eine eigene DNA (mitochondriale DNA) enthält. Die innere Membran bildet zahlreiche Falten und Einstülpungen zur Vergrößerung der Oberfläche. In der Matrix und der inneren Membran sind die Enzyme ( S. 68) für die Zellatmung eingebettet, bei der das energiereiche Molekül Adenosintriphosphat (ATP) gebildet wird. Für den Aufbau von ATP werden im Zuge der Zellatmung energiereiche Stoffe (z. B. Glucose C 6 H 12 O 6 ) enzymatisch zu CO 2 und Wasser abgebaut. Dabei wird schrittweise Energie freigesetzt, die zum Aufbau des Energieüberträgerstoffes ATP genutzt wird. Ein Teil der Energie wird als Wärme abgegeben (Zellatmung S. 74). ATP dient als zentraler Energielieferant für fast alle Stoffwechselvorgänge in der Zelle. Die vereinfachte Summengleichung der Zellatmung lautet: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + Energie (ATP und Wärme)

13 3.4 Ribosomen dienen dem Aufbau körpereigener Proteine Ribosomen sind winzige, kugelige Partikel, die aus Ribonucleinsäure ( S. 36) und Proteinen bestehen. Mit ihrer Hilfe erfolgt der Aufbau der körpereigenen Eiweiße, die so genannte Proteinbiosynthese. Dabei können 3.5 Endoplasmatisches Reticulum (ER) wichtiges Kanalsystem Bei elektronenmikroskopischer Betrachtung einer Zelle zeigt sich, dass das Cytoplasma von verzweigten Kanälen durchzogen ist. Dieses netzartige Kanalsystem bezeichnet man als Endoplasmatisches Reticulum (ER). Es dient vor allem dem Transport von Stoffen in und zwischen den Zellen. Es steht sowohl mit der Zellmembran als auch mit der Kernmembran in Verbindung. Die Kernmembran ist eine besondere Ausbildung des ER. Das glatte ER trägt keine Ribosomen. Es wirkt bei vielen Stoffwechselvorgängen mit und ist u. a. an der Lipidbiosynthese beteiligt. Hier werden Öle, Phospholipide und Steroide produziert. Dazu gehören auch Geschlechts- und andere Steroidhormone. Das raue oder granuläre ER ist an seiner Oberfläche dicht mit Ribosomen besetzt ( Abb. 44). Hier finden zahlreiche Stoffumwandlungen statt. Unter anderem werden die an den Ribosomen gebildeten Proteine weitertransportiert. 3.6 Der Golgi-Apparat Ausscheidungs- und Transportsystem mehrere Ribosomen hintereinander perlschnurartig aufgereiht sein. In diesem Fall spricht man von Polysomen. Dadurch kann die Eiweißproduktion noch effizienter ablaufen. Im Zuge des Stoffwechselgeschehens wird das ER ständig verändert und umgebaut. So werden aus ER- Membranen Bläschen gebildet, die entweder dem Stofftransport oder der Speicherung von Stoffen dienen. Derartige Bläschen heißen Transportvesikel, die z. B. Proteine zum Golgi-Apparat weitertransportieren oder Verdauungsenzyme speichern. Ribosom Endoplasmatisches Retikulum (ER) Abb. 44: Endoplasmatisches Reticulum mit Ribosomen Ribosomen Organellen der Zelle; Orte der Proteinbiosynthese; nm groß Proteinbiosynthese Aufbau körpereigener Eiweiße in lebenden Zellen Polysomen Aneinanderreihung vieler Ribosomen im Zuge der Proteinbiosynthese Endoplasmatisches Reticulum (ER) (griech. endo = innen; lat. reticulum = kleines Netz) = Netz aus Kanälen im Zellplasma Golgi-Apparat Zellorganell aus Mem branräumen; dienen dem Abtransport von Stoffen; entdeckt von Camillo Golgi Transportbläschen des ER wandern mit Stoffen zum Golgi-Apparat. Dieser fungiert als Art Endfertigungsund Postzentrale für diese Substanzen. Hier werden die vom ER übernommenen Stoffe modifiziert und in Bläschen verpackt, die genau an den gewünschten Zielort in der Zelle transportiert werden. Dictyosomen sind Stapel aus kleinen Membransäckchen, die an ihren Enden Bläschen abschnüren. Besonders häufig kommen sie in Drüsenzellen vor und erzeugen dort Sekrete, z. B. die ätherischen Öle der Pfefferminze. Die Sekrete werden in den Bläschen gespeichert und an die Zelloberfläche transportiert, wo sie ausgeschieden werden. Im Golgi-Apparat werden auch die Lysosomen gebildet, die nur in tierischen Zellen vorkommen. Diese Bläschen weisen einen sauren ph-wert auf und enthalten Verdauungsenzyme. Ihre Aufgabe besteht in 3.7 Peroxisomen Peroxisomen sind kleine kugelförmige Organellen, die von einer Membran umgeben sind. Sie ähneln den Lysosomen, werden aber nicht im Golgi-Apparat gebildet. In den Peroxisomen finden wichtige Stoffwechselvorgänge statt, die u.a. der Entgiftung der Zelle dienen: Abb. 45: Dictyosomen Membransäckchen Sekretbläschen (z. B. Lysosomen) der intrazellulären Verdauung. In weißen Blutkörperchen sind sie für die Verdauung von Krankheitserregern wichtig. Der Golgi-Apparat besteht aus der Gesamtheit aller Dictyosomen einer Zelle. Ihr Aufbau ist nur im Elektronenmikroskop deutlich erkennbar. Abbau von Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) durch Enzyme (Oxidasen und Katalasen). H 2 O 2 wird dabei zu Wasser und Sauerstoff zerlegt. Bindung freier Radikale Camillo Golgi ( ); ital. Forscher, Entdecker des Golgi- Apparates; erhielt 1906 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin Dictyosomen (griech. diktyon = Netz; griech. soma = Körper) = Stapel aus Membransäckchen des Golgi-Apparates Sekret Drüsenabsonderung ätherisch leicht flüchtig; verdunstet sehr schnell Lysosomen vom ER gebildete Bläschen; dienen der Auflösung oder Verdauung von zelleigenen oder zellfremden Stoffen 41

14 4 Pflanzenzellen sehen anders aus 4.1 Plastiden eine Besonderheit der Pflanzenzellen Chloroplasten (griech. chloros = grün, plastos = geformt) = Organellen mit grünem Farbstoff; dienen der Fotosynthese Chlorophyll (griech. chloros = grün, phyllon = Blatt) = grüner Blattfarbstoff Leukoplasten (griech. leukos = weiß) = farblose Plastiden; dienen dem Aufbau von Speicherstoffen Chromoplasten (griech. chroma = Farbe) = farbige Plastiden; enthalten gelbe bis rote Farbstoffe 1 Gesund bleiben EXTRA: Functional food, S. 19 Grana-Stapel Stärkekörner Doppelmembran Grana-Stapel Abb. 46: EM-Aufnahme (li.) und Schema (re.) des Chloroplasten 4.2 Vakuolen sind Zellsafträume Vakuolen sind mit Flüssigkeit gefüllte Hohlräume der Zelle. Sie dienen u. a. der Speicherung von Stoffen oder der intrazellulären Verdauung. Während sie bei Tierzellen stets klein sind, können die Vakuolen in ausgewachsenen Pflanzenzellen den Großteil der Zelle ausfüllen (Abb. 31). Der darin enthaltene Zellsaft besteht aus einer wässrigen Lösung von Ionen und organischen Verbindungen. Hier werden etwa Kalium- und Chlorid-Ionen, Speicherstoffe wie Proteine oder auch Stoffwechselabfälle eingelagert. Auch Farbstoffe sind im Zellsaft gelöst. So verleihen Anthocyane vielen Blütenblättern, dem Blaukraut oder den roten Rüben ihre rote, blaue und violette Farbe. In der Vakuole lagern ebenso Giftstoffe, wie das Koffein der Kaffeebohne oder das Nikotin des Tabaks. Die Plastiden der pflanzlichen Zelle sind auch im Lichtmikroskop sichtbar. Man unterscheidet: Chloroplasten ( Abb. 46) sind meist linsenförmig und besitzen eine Doppelmembran. Die Einstülpungen der inneren Membran bilden viele übereinander gestapelte Säckchen (Thylakoide), in welchen sich der grüne Farbstoff, das Chlorophyll, befindet. Hier findet die Fotosynthese ( S. 71) statt. Dabei wird aus Wasser und Kohlenstoffdioxid unter Einwirkung von Sonnenlicht und mit Hilfe von Chlorophyll Zukker und Sauerstoff produziert. Die Reaktionsgleichung der Fotosynthese lautet: 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 Die farblosen Leukoplasten beteiligen sich am Aufbau der Reservestoffe (z. B. Stärke) in den farblosen Teilen der Pflanze (z. B. den Wurzelstöcken). Die Chromoplasten färben viele Blüten und Früchte. Sie sind z. B. verantwortlich für das Gelb der Sonnenblume und das Rot der Tomaten. Abb. 47: Blütenfarben des Lungenkrauts durch den Farbstoff Anthocyan im Zellsaft Radikale sehr reaktionsfähige Atome oder Atomgruppen mit mindestens einem freien Elektron Antioxidantien Radikalfänger; binden Radikale Kampf gegen Radikale! EXTRA Viele Pflanzenfarbstoffe wirken als Radikalfänger. Radikale sind Atome oder Atomgruppen mit mindestens einem freien Elektron. Sie sind sehr reaktionsfähig und daher oft gefährlich für unseren Organismus, weil sie zu Zellschäden führen können. Freie Radikale entstehen im Zuge von Stoffwechselvorgängen in der Zelle (z. B. der Atmung in den Mitochondrien) oder durch äußere Einflüsse wie UV-, Röntgen- und radioaktive Strahlung sowie durch Einatmen von Zigarettenrauch. Sie können Zellen schädigen, wenn sie beispielsweise lebenswichtige Moleküle oxidieren und damit unwirksam machen. Radikalfänger, die diese reaktiven Moleküle binden, nennt man daher auch Antioxidantien. Dazu gehören viele Vitamine wie Vitamin A, C oder E. 42

15 Radikalfänger-Menü MINI Workshop Informiere dich, welche Nahrungsmittel Antioxidantien enthalten. Benenne die Stoffe, die als Radikalfänger wirken. Stelle schriftlich ein fantasievolles Menü zusammen, in welchem du möglichst viele Radikalfänger zu dir nehmen kannst. Vergleicht eure Menüs. Erklärt einander die wichtigsten Radikalfänger und bereitet zu Hause eines der Menüs zu. Steckbriefrätsel: Organellen QUIZ Wanted! Um welche Zellorganellen handelt es sich bei den folgenden Steckbriefen? Jeder richtige Begriff bringt einen Punkt. 1. Wanted! runder bis ovaler, gut sichtbarer Teil der Zelle enthält DNA steuert den Zellstoffwechsel speichert Erbanlagen und gibt sie an die nächste Generation weiter 3. Wanted! mit Zellsaft gefüllt Hohlräume der Zelle Ort intrazellulärer Verdauung oft Speicherung von Farb- und Giftstoffen bei Tieren klein, bei Pflanzen groß 5. Wanted! Stapel aus kleinen Membransäckchen schnüren an ihren Enden Bläschen ab besonders häufig in Drüsenzellen bilden z. B. ätherische Öle der Pfefferminze Lückentext: Osmose 2. Wanted! stäbchen- oder kugelförmige Gestalt besitzen eine Doppelmembran weisen eigene DNA auf Aufbau von ATP Ort der Zellatmung 4. Wanted! Aufbau körpereigener Eiweiße (Proteinbiosynthese) winzige kugelige Partikel bestehen aus RNA und Proteinen oft perlschnurartig hintereinander aufgereiht QUIZ Jeder richtige Begriff bringt einen Punkt. Ergänze: Warum platzen Kirschen am Baum, wenn es lange regnet? 1. Weil die Konzentration des in den Zellen hoch, im Regenwasser dagegen gering ist. 2. Weil die Zuckermoleküle zu groß sind, um durch die Membran nach außen zu dringen. 3. Weil der Konzentrationsausgleich daher nur erfolgen kann, indem die in die Zelle hineinwandern. 4. Weil diese Wasseraufnahme so lange erfolgen kann, bis die Zelle! 43

16 Cellulose Vielfachzucker (Polysaccharid); aus hunderten Glucosemolekülen gebildet; wasserunlöslich Pektin Polysaccharid; bildet fadenförmige Moleküle Hemicellulose Polysaccharid aus verschiedenen Zuckermolekülen Lignin Holzstoff; langkettiger Kohlenwasserstoff aus aromatischen Makromolekülen aromatisch ringförmiger Kohlenwasserstoff 4.3 Die Zellwand umgibt die Pflanzenzelle Die pflanzliche Zelle ist neben der elastischen Zellmembran ( S. 40) noch von einer festen Zellwand umhüllt. Sie gibt der Zelle Stabilität und Schutz. Die pflanzliche Zellwand besteht aus Cellulosefibrillen, die in eine Grundsubstanz aus Pektin, Hemicellulose, ÜBRIGENS Protein und teilweise auch Lignin eingebettet sind. Die einzelnen Zellen sind durch die Zellwände hindurch mittels Plasmasträngen (Plasmodesmen) verbunden. ist Stärke ein typischer Reservestoff in Pflanzenzellen. ist Cellulose sehr widerstandsfähig und ein wichtiger Rohstoff in der Papierherstellung und Bekleidungsindustrie (z. B. in Baumwolle und Leinen). ist Lignin ein wichtiger Bestandteil des Holzes (z. B. Stützfunktion bei Bäumen). Lignin bewirkt die Verholzung (Festigung) der Zelle. bilden tierische Zellen das Glycogen als Reservestoff. kommt Chitin nicht nur im Panzer von Insekten vor, sondern auch in den Zellwänden der Pilze. Vielleicht ein Hinweis für eine tierische Eigenschaft der Pilze, die ja weder zu den Pflanzen noch zu den Tieren gezählt werden. Tierzelle und Pflanzenzelle sind unterschiedlich Workshop Untersuchungen im Elektronenmikroskop zeigen, dass die Zellen der Pflanzen, Tiere und Menschen im Wesentlichen den gleichen Aufbau haben. Es gibt aber einige wichtige Unterschiede, die mit der grundlegend unterschiedlichen Lebensweise zusammenhängen. Aufgaben: Vergleiche Pflanzen- und Tierzelle. Dokumentiere die Unterschiede im Aufbau, indem du alle Bestandteile der Zellen nach dem untenstehenden Muster in eine Tabelle einträgst: Pflanzliche Zelle Tierische Zelle Bestandteile Funktionen Bestandteile Zellkern Speicherung und Weitergabe der Erbanlagen, Steuerung des Zellstoffwechsels Zellkern Stelle den Zusammenhang zwischen dem Zellaufbau und dem grundlegenden Unterschied der Lebensweise grüner Pflanzen zur Lebensweise tierischer Organismen her. Erläutere die Lebensweise grüner Pflanzen und nenne den Fachbegriff (Hilfe bekommst du aus dem Text des letzten Kapitels, aus deiner Liste aus Workshop S. 35 und im Internet). 44

17 5 Prokaryoten und Eukaryoten Pflanzen, Tiere, Pilze und Protisten werden als Eukaryoten bezeichnet. Bakterien und Archaeen (früher Archaebakterien) gehören zu den Prokaryoten. Vermutlich waren sie Vorstufen in der Entwicklung der Einzeller. Bei Prokaryoten ist die DNA im Gegensatz zu den Eukaryoten nicht in einem abgegrenzten Zellkern geschützt, sondern liegt frei im Cytoplasma. Prokaryoten einfache Zellen ohne geformten Zellkern (z. B. Bakterien) Archaeen (griech. archaios = uralt) = altertümliche bakterienähnliche Prokaryoten Prokaryotenzelle (Bakterien und Archaeen) Abb. 48: Stammbaum der Lebewesen (stark vereinfacht) Eukaryotenzelle (tierische und pflanzliche Einzeller, mehrzellige Pflanzen, Pilze und Tiere) Aufbau einfach sehr komplex Größe meist < 10 μm meist μm Zellkern Kernäquivalent ohne Membran echter Zellkern von Kernmembran umgeben Erbgut ein ringförmiges Chromosom und mehrere kleine ringförmige DNA-Stücke (Plasmide); liegen frei im Cytoplasma Organellen fehlen meist; organellenähnliche Strukturen; meist nicht von Membran umgrenzt (Ausnahme z. B. Cyanobakterien) Zellmembran meist einschichtig Zellwand verschiedene Strukturen und Zusammensetzungen; z. B. aus vielschichtigen Peptidoglycanen oder Lipopolysacchariden Schematischer Aufbau Plasmid (DNA-Ring) Zellwand (mehrschichtig) Plasmamembran Ribosom im Plasma Membrankörper (Mesosom) Reservestoff: Phosphat Lipidtropfen mehrere Chromosomen mit komplexer Struktur; im Zellkern eingeschlossen verschiedene Organellen vorhanden; meist von Membran umgeben zweischichtig; komplex gebaut, veränderlich Algen-, Pflanzen- (aus Cellulose, s. o.) und Pilzzellen (aus Chitin) besitzen eine Zellwand, tierischen Zellen fehlt eine Zellwand Zellsaftraum Zellwand Tüpfel Zellplasma Kernkörperchen Zellkern Mitochondrium Zellmembran Eukaryoten Organismen mit einem Zellkern und membranumgrenzte Organellen Peptidoglycane Murein = Makromoleküle aus Zuckern und Aminosäuren; bilden eine Schicht der Bakterienzellwand Lipopolysaccharide Makromoleküle aus Lipoiden und Polysacchariden Geißel Chloroplast Abb. 49: Bakterienzelle (schematisch) Abb. 50: Eukaryotenzelle (halbschematisch) 45

18 Steckbrief: Virus sehr klein (20-200nm) bestehen nur aus einer Eiweißhülle und der Erbsubstanz kein eigener Stoffwechsel Vermehrung nur in lebenden Zellen (Wirtszellen): - Bildung von bis zu 300 neuen Viren in einer Wirtszelle - Freisetzung und Befall weiterer Zellen - Wirtszelle stirbt keine echten Lebewesen extrem hohe Vermehrungs- und Mutationsrate und daher schwer zu bekämpfen (oft neue Impfsubstanz nötig) können gefährliche Krankheitserreger sein (z. B. Tollwut Hepatitis, AIDS) EXTRA Abb. 51: Viren (EM-Aufnahme, gefärbt) Multiple Choice: Zellorganellen Finde die richtigen Antworten und kreuze sie an. Achtung, es können auch mehrere Antworten richtig sein! Auswertung: Jede richtige Antwort bringt einen Punkt, jede falsche Antwort einen Punkteabzug. Du hast drei Minuten Zeit. Viel Erfolg! 1. Membranen regulieren den Stoffaustausch. Ihre Doppelschicht ist aufgebaut aus: Kochsalz und Proteinen Cholesterin und Phospholipiden Kohlenhydraten und Magnesium 3. An welchen Stellen der Zellen kommt DNA vor? Zellkern und Mitochondrien Zellkern und Ribosomen Mitochondrien und ER Eukaryoten Prokaryoten 2. Welche Zellorganellen sind für den Transport von Stoffen zuständig? Mitochondrien und Ribosomen Zellkern und ER ER und Dictyosomen QUIZ Ordne die folgenden Eigenschaften der Prokaryoten- bzw. Eukaryotenzelle zu, indem du P (für Prokaryotenzelle) bzw. E (für Eukaryotenzelle) in das Kästchen neben der Eigenschaft einträgst! Wer hat die richtige Lösung am schnellsten? Würmer Kernäquivalent Zellwand aus Cellulose Chromosomen einfacher Aufbau Bakterien einschichtige Zellmembran Chloroplasten meist μm Zellwand aus Murein (Peptidoglycanen) komplexer Aufbau Plasmide Kernmembran meist < 10 μm 2-schichtige Zellmembran Membrankörperchen QUIZ 46

19 6 Die formenreiche Welt der Einzeller 6.1 Sind Augentierchen tier- oder pflanzenähnlich? Das Augentierchen (Euglena) ist ein einzelliger, mikroskopisch kleiner Organismus, der in Gewässern lebt. Im lichtmikroskopischen Bild findet man neben dem Zellkern noch zahlreiche Chloroplasten ( S. 42). Ist genügend Licht vorhanden, kann das Augentierchen Fotosynthese betreiben. Wenn es dunkel ist, kann es auch organische Stoffe aufnehmen und verdauen. Euglena lebt daher im Licht autotroph ( S. 67), ohne ausreichend Licht aber heterotroph ( S. 67). Daher handelt es sich beim Augentierchen um einen Organismus, der sowohl pflanzen- als auch tierähnliche Eigenschaften besitzt. Am Vorderende der Zelle befindet sich ein langer Plasmafortsatz, welcher der Fortbewegung dient: die lange Geißel. Die Bewegung wird bei Euglena durch Lichtreize gesteuert, die durch einen Fotorezeptor an der Geißelbasis unterhalb des Augenflecks aufgenommen werden. Diese Fähigkeit, die Lichtrichtung erkennen zu können, erklärt den Namen Augentierchen. Sie ermöglicht Euglena immer, die hellsten Bereiche des Gewässers (z. B. Tümpels) anzusteuern und für die Fotosynthese zu nützen. Zur Speicherung der aufgenommenen Energie dient ein stärkeähnlicher Reservestoff das Paramylon, der in zahlreichen Körnern im Cytoplasma untergebracht ist. Der Ausscheidung dienen kontraktile Bläschen (Vakuolen), die sich in regelmäßigen Abständen füllen und durch die Zellmembran entleeren. Fotorezeptor Sinneszellen bzw. Sinnesorganellen, die auf Lichtreize reagieren autotroph (griech. autos = selbst und trophos = Ernährer) = sich selbstständig ernährend; Herstellung von organischen Substanzen ausschließlich aus anorganischen Substanzen, z. B. durch Fotosynthese Augenfleck Basalkorn Zellkern Geißel Fotorezeptor kurze Geißel Ausscheidungsbläschen heterotroph (griech. heteros = fremd) = in der Ernährung ganz oder teilweise auf die Körpersubstanz oder die Stoffwechselprodukte anderer Organismen angewiesen Paramylonkörnchen (Stärke ähnlicher Reservestoff ) Chloroplast Paramylon (griech. para = neben; lat. amylum = Stärke) = stärkeähnlicher Reservestoff von euglenaartigen Algen und von Kalkalgen Abb. 52: Euglena schematisch Abb. 53: Euglena (Lichtmikroskop-Aufnahme) Einzeller sind nicht alle miteinander verwandt! EXTRA Einzeller bilden keine geschlossene Verwandtschaftsgruppe. Ihre Gemeinsamkeit besteht darin, dass sie alle aus nur einer einzelnen Zelle bestehen. Dazu zählen: alle Archaeen (z. B. Methan-, Halobakterien): sehr ursprünglich gebaute Einzeller, die sich häufig durch einen anaeroben Stoffwechsel auszeichnen die meisten Bakterien (z. B. Cyanobakterien, Purpurbakterien, viele Krankheitserreger): besitzen wie die Archaeen keinen Zellkern, entsprechen aber in vielen Zellstrukturen den Eukaryoten ( S. 45) einige Pilze (z. B. Hefe): eukaryotische, heterotrophe Organismen mit Besonderheiten wie z. B. einem chitinhaltigen Zellskelett ( S. 157) Protisten (z. B. Protozoen und einzellige Algen): eukaryotische Einzeller mit tierischer und pflanzlicher Lebensweise 47

20 Protozoen tierische Einzeller = Einzeller mit heterotropher Ernährung 6.2 Protozoen tierähnliche Einzeller mit vielfältigen Lebensweisen Protozoen sind zumeist nur im Mikroskop sichtbar und leben heterotroph im Wasser oder in vielfältigen anderen feuchten Umgebungen. Sie besiedeln sogar Extremstandorte wie Schnee oder Salzseen. Trocknet ihr Lebensraum, wie etwa ein kleiner Tümpel oder eine feuchte Wiese vorübergehend aus, so bilden manche Protozoen (z. B. Glockentierchen) Dauerformen. Sie umgeben sich mit einer festen Schale und überstehen so als Cysten die Trockenperiode. Protozoen ernähren sich heterotroph: Die Nahrung wird von einer Membran umhüllt, die ein Verdauungsbläschen bildet (Nahrungsvakuole). Durch Verdauungsenzyme wird die Nahrung in ihre Grundbausteine zerlegt, die durch die Membran der Nahrungsvakuole in das Plasma transportiert werden. Dort werden sie zu körpereigenen Stoffen aufgebaut oder dienen als Energielieferanten. Im Zuge der Stoffumsetzungen in der Zelle entstehen unbrauchbare oder sogar schädliche Stoffe. Sie werden mit Hilfe der kontraktilen Vakuole, die sich regelmäßig füllt und entleert, nach außen durch die Zellmembran entfernt. Zu den wichtigsten Vertretern der Protozoen gehören Geißel-, Wimper- und Sporentierchen sowie Kammerlinge und Wurzelfüßer. Geißel (Flagellum) beweglicher Zellfortsatz; dient der Fortbewegung und Nahrungsaufnahme Symbiose Zusammenleben von Individuen, die für beide Partner vorteilhaft ist Wimpern (Cilien) bewegliche Zellfortsätze; dienen der Fortbewegung und Nahrungsaufnahme; unterscheiden sich von den Flagellen durch die schnellere und koordinierte Bewegungsweise Geißeltierchen (Flagellaten) Sie bewegen sich mit Hilfe feiner Plasmafortsätze (Geißeln) und besiedeln nahezu alle Lebensräume. Beispiele sind das Augentierchen ( S. 47), das in mineralstoffreichen Gewässern vorkommt, und Trypanosomen, die als Parasiten in verschiedenen Wirbeltieren (z. B. auch dem Menschen) leben. Trypanosomen sind die Erreger der Schlafkrankheit, die in den tropischen Gebieten Afrikas vorkommt. Bestimmte Geißeltierchen leben in Symbiose mit Termiten. In so genannten Gärkammern des Termitendarmes helfen sie, das gefressene Holz in verwertbare Stoffe abzubauen Wimpertierchen (Ciliaten) Wimpertierchen, wie das Pantoffeltierchen und das Glockentierchen, besitzen auf ihrer Oberfläche viele feine Fortsätze (Wimpern = Cilien), die der Bewegung und der Nahrungsaufnahme dienen. Sie kommen häufig im Süßwasser und in feuchtem Boden, aber auch im Meer vor. Da sie Bakterien und große Mengen Detritus (organische Abfallstoffe) aufnehmen und verdauen können, spielen sie eine wichtige Rolle bei der Selbstreinigung der Gewässer. Abb. 54: Augentierchen (Euglena), ca. 0,05 mm lang Abb. 55: Pantoffeltierchen, ca. 0,3 mm lang Abb. 56: Pantoffeltierchen Abb. 57: Glockentierchen 48