Zelle (Biologie) (

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1 Zelle (Biologie) 1. Allgemeines 2. Aufbau von Zellen 2.1 Unterschiede zwischen prokaryotischen und eukaryotischen Zellen 2.2 Unterschiede zwischen tierischen und pflanzlichen Zellen 2.3 Aufbau der pflanzlichen Zelle ( 1

2 Zelle (Biologie) Allgemeines Es gibt Lebewesen, die nur aus einer einzigen Zelle bestehen, und die deshalb Einzeller genannt werden. Lebewesen, die aus mehr als einer Zelle bestehen, heißen Mehrzeller. Der menschliche Körper besteht aus geschätzten 10 bis 100 Billionen Zellen (je nach Quelle), wobei das individuelle Körpergewicht eine wichtige Einflussgröße darstellt. Zellen werden außerdem in prokaryotische und eukaryotische Zellen unterteilt. Einzeller können Prokaryoten (Bacteria, Archaea) oder Eukaryoten (Protisten) sein. Mehrzeller (Pflanzen, Pilze, Tiere) sind dagegen ausschließlich Eukaryoten. Die Zellbiologie befasst sich mit der Lehre der Zellen. 2

3 Aufbau von Zellen Alle bekannten Zellen, mit Ausnahme einiger spezialisierter Zelltypen, haben bestimmte Komponenten gemeinsam: Die DNA, die genetische Information, die als Bauplan für die Proteine dient, die alle Zellvorgänge steuern Proteine, die als Strukturproteine für den Bau der Zelle oder als Enzyme für sämtliche Stoffwechselprozesse oder als Signalproteine für die Kommunikation der Zelle zuständig sind Membranen, die die Zelle von ihrer Umgebung abgrenzen, als Barriere fungieren, den Kontakt mit der Außenwelt aufrecht erhalten und komplexere Zellen in verschiedene Reaktionsräume, die so genannten Kompartimente aufteilen. die Prozesse im Zellinneren laufen in einem wässrigen Milieu, dem Cytosol ab. alle Zellen besitzen RNA und Ribosomen, die für die Proteinsynthese benötigt werden Zellen haben auch gemeinsame grundlegende Fähigkeiten: sie können sich durch Zellteilung reproduzieren und durchlaufen dabei einen Zellzyklus sie betreiben Stoffwechsel: die Aufnahme von Nahrungsmolekülen und Spurenelementen, deren Umwandlung in Energie und neue Zellkomponenten und die Entsorgung von Abfallprodukten 3

4 Unterschiede zwischen prokaryotischen und eukaryotischen Zellen prokaryotische Zelle sind Bakterienzellen (Bacteria und Archaea) besitzen keinen Zellkern, die DNA liegt ringförmig (als Bakterienchromosom oder Plasmid) frei im Cytoplasma vor bestehen aus nur einem Kompartiment und besitzen keine Zellorganellen besitzen kein Cytoskelett es gibt nur eingeschränkt die Fähigkeit zur Differenzierung 4

5 Unterschiede zwischen prokaryotischen und eukaryotischen Zellen eukaryotischen Zelle sind tierische und pflanzliche Zellen sowie Pilze und Protisten, also sowohl Einzeller als auch Mehrzeller besitzen einen Zellkern, der die DNA enthält bestehen aus verschiedenen Kompartimenten und besitzen neben dem Zellkern weitere Zellorganellen wie Mitochondrien, Plastiden (nur Pflanzen), Endoplasmatisches Reticulum, Golgi-Apparat und Vesikel, Peroxisomen, Lysosomen, Vakuolen (nur Pflanzen) besitzen ein Cytoskelett Zellen von Mehrzellern haben die Fähigkeit zur Differenzierung 5

6 Unterschiede zwischen tierischen und pflanzlichen Zellen pflanzliche Zellen haben Zellwände haben Chloroplasten und andere Plastiden haben Vakuolen in pflanzlichen Geweben stehen die Zellwände benachbarter Zellen durch eine Mittellamelle in Kontakt die einzelnen Zellen sind teilweise über Plasmodesmen miteinander verbunden 6

7 Unterschiede zwischen tierischen und pflanzlichen Zellen tierische Zellen haben keine Chloroplasten oder andere Plastiden haben nur in Ausnahmefällen Vakuolen in tierischen Geweben stehen die Zellmembranen benachbarter Zellen über eine Extrazelluläre Matrix in Kontakt die einzelnen Zellen sind über Desmosomen und verschiedene Zelljunctions miteinander verbunden 7

8 Aufbau der pflanzlichen Zelle Die Zellwand umgibt die Zelle und verleiht dem Pflanzenkörper Festigkeit. Sie ist durchlässig für Wasser, gelöste Nährstoffe und Gase. Sie besteht hauptsächlich aus Cellulose. Die Tüpfel sind Öffnungen in der Zellwand, sie verbinden die Zelle untereinander und ermöglichen den Austausch von Cytoplasma. Das Plasmalemma ist ein dünnes Häutchen (Membran), welches das Plasma gegen die Zellwand abgrenzt. Das Plasmalemma ist durchlässig für Wasser, aber nicht für andere Stoffe. (semipermeabel = halbdurchlässig) Der Zellkern ist die Steuerzentrale der Zelle. Er enthält die Erbanlage die auf den Chromosomen liegen. Die Chloroplasten enthalten den grünen Farbstoff Chlorophyll und betreiben die Photosynthese. Das heißt, die Energie des Sonnenlichtes wird eingefangen und in Form von chemischer Energie in Zucker gespeichert. Das Cytoplasma ist eine farblose schleimige Masse (vergleichbar mit rohem Eiweiß). Im Cytoplasma sind alle Zellbestandteile eingebettet. Die Vakuolen sind Hohlräume im Cytoplasma, die mit Farbstoffen, Giftstoffen, Duftstoffen und anderen gefüllt sein können. (Abfall-Lagerplatz der Zelle). Die Ribosomen stellen Eiweiß her. Die Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle. In ihnen findet die Verbrennung statt. Die in Zucker gespeicherte Energie wird wieder freigesetzt und kann für die Herstellung anderer Stoffe verwendet werden. Golgi-Apparate (Körper): Die Golgi Körper stellen Öle, Zellwandsubstanzen und Schleime her. Endoplasmatisches Retikulum (ER) ist das schnelle Transportsystem für chemische Stoffe. 8

9 Organisation einer typischen eukaryotischen Zelle 1. Nukleolus. 2. Zellkern (Nukleus). 3. Ribosomen. 4. Vesikel. 5. Rauhes Endoplasmatisches Reticulum (ER). 6. Golgi-Apparat. 7. Mikrotubuli. 8. Glattes ER. 9. Mitochondrien. 10. Vakuole. 11. Zytoplasma. 12. Lysosom 13. Zentriolen. 9

10 Bakterien (Bacillus subtilis) 10

11 Aufbau eines Bakteriums 11

12 Plasmid. EM. 12

13 Eukaryoten (Acanthocystis turfacea) 13

14 Protisten Sonnentierchen (Actinophrys sol) 14

15 Mouse embryonic cell 10 μm 15

16 Cell spreading 10 μm 16

17 DNA 17

18 DNA replication 18

19 Proteine Proteine, umgangssprachlich auch Eiweiße genannt, sind Makromoleküle, die neben Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff auch Stickstoff und manchmal auch Schwefel enthalten. Sie gehören zu den Grundbestandteilen aller lebenden Zellen. Die saure Hydrolyse (das intensive Kochen in starken Säuren) zerlegt die Riesenmoleküle in ihre einzelnen Bausteine, nämlich rund 20 Arten von Aminosäuren. Das heißt: Proteine bestehen aus langen Ketten von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verbunden sind. Oft sind Hunderte oder Tausende von Aminosäuren in einem Protein miteinander verknüpft. 19

20 Proteine Räumlicher Aufbau Der Aufbau der Proteine, das heißt die Reihenfolge der Aminosäuren, ist in der Desoxyribonukleinsäure (DNA) kodiert. In den Ribosomen wird diese Information verwendet, um aus einzelnen Aminosäuren ein Proteinmolekül zusammenzusetzen, wobei die Aminosäuren in einer ganz bestimmten, von der DNA vorgegebenen Reihenfolge verknüpft werden. Ist diese Synthese abgeschlossen, werden die meisten Proteine posttranslational noch modifiziert. Dies kann dadurch geschehen, dass Stücke der Proteinsequenz herausgeschnitten werden, das heißt durch limitierte Proteolyse, oder auch dadurch, dass die Seitengruppen spezieller Aminosäuren durch chemische Gruppen modifiziert werden. Eine sehr häufige Reaktion stellt die Anfügung einer Phosphatgruppe dar, die bei einer Vielzahl von Regulationsreaktionen eine wichtige Rolle spielt. Bislang sind in der Literatur mehr als 200 unterschiedliche chemische Gruppen bekannt, die an Proteine angefügt werden können, und so ihre Eigenschaften modifizieren. Für die Wirkungsweise der Proteine ist aber auch ihr räumlicher Aufbau wichtig. Deswegen lässt sich die Struktur der Proteine auf vier Betrachtungsebenen beschreiben: 20

21 Proteine bestehen aus Makromolekülen ( = Riesenmoleküle). Solche Moleküle sind immer aus sich wiederholenden Bausteinen aufgebaut wie z. B. eine Perlenkette. Kette mit gleichen Bausteinen Kette mit verschiedenen Bausteinen 21

22 Aminosäuren 22

23 Peptidbindung 23

24 Zellmembran, Monolayer 24

25 Lipid Bilayer (Zellmembran) 25