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Aufbau und Funktion der Zelle

Die Zelle: Baustein des Lebens

Die Zelle ist die kleinste funktionelle Einheit allen Lebens und ist gekennzeichnet durch wesentliche Eigenschaften:

1)    Die Zelle ist die kleinste Einheit des Lebens.

2)    Alle Organismen sind aus Zellen aufgebaut.

3)    Jede Zelle geht aus einer bereits existierenden Zelle hervor.

Durch Zellteilung entstehen aus einer Mutterzelle zwei identische Tochterzellen (Zweiteilung, Mitose) oder vier Keimzellen (Meiose).

4)    Die Zellgröße ist durch das Oberflächen-Volumen-Verhältnis begrenzt.

Wenn sich ein Objekt vergrößert, wächst sein Volumen deutlich stärker als die Oberfläche. Doch um zu funktionieren, sind Zellen darauf angewiesen, dass ihr Volumen im Verhältnis zur Oberfläche nicht zu groß wird, damit der Weg zwischen den einzelnen Zellorganellen im Zellkörper klein bleibt. Es muss demnach eine gute Oberflächen-Volumen-Relation erhalten bleiben. Deswegen sind Organismen auch aus vielen kleinen Zellen aufgebaut anstatt weniger großer. Die Oberfläche bestimmt vor allem den Stoffaustausch, wohingegen das Volumen den Reaktionsraum bietet.

Grundbausteine, die Leben möglich machen

Die chemischen Grundbausteine der Zelle sind biologische Makromoleküle (Polymere), aufgebaut aus den Grundelementen Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff (Mengenelemente). Diese Polymere gehen aus Monomeren hervor, welche durch Kondensationsreaktionen miteinander verknüpft bzw. durch Hydrolysereaktionen wieder getrennt werden. Man unterscheidet hierbei Kohlenhydrate (Zucker), Lipide, Nukleinsäuren und Proteine.

Welche Makromoleküle gibt es und welche Funktionen haben sie?

  • Kohlenhydrate
    Zucker – Energieträger (Grundeinheit: Monosaccharide, Di- oder Polysaccharide)
  • Proteine
    Eiweiße – Bausubstanz, Biokatalysatoren, Signaltransduktion, Stofftransport, Signalstoffe (Grundeinheit: Aminosäuren [AS], Peptide, Proteine)
  • Nukleinsäuren (DNA, RNA)
    Erbsubstanz/Informationsträger/Energiespeicher/Proteinbiosynthese (4 Grundeinheiten – Nukleotide: Desoxy-/Ribose + Phosphat + stickstoffhaltige Base)
  • Lipide
    Fette – Biomembran/Energiespeicher/Signalstoffe/Isolierung/Schutz – (Grundeinheit: Lipid aus Glycerin + 3 Fettsäuren)

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Kohlenhydrate, Proteine und Nukleinsäuren sind Polymere im klassischen Sinne. Fette bilden keine echten Polymere, sondern die Monomere aggregieren nur.

Bausteine der Zelle

 Nachfolgende Tabelle führt nochmals alle Bausteine der Zelle auf:

Proteine

Polymer aus Aminosäuren (=AS);

insgesamt 21 AS, diese sind über Peptidbindungen miteinander zu AS-Ketten verknüpft;

diese nehmen räumliche Anordnungen an (Primär-, Sekundär-, Tertiär-, Quartärstruktur),

und sind nur in einer bestimmten dreidimensionalen Struktur funktionell

Kohlenhydrate

Aus C, H und O aufgebaute Moleküle,

Monosaccharide, über o-glykosidische Bindungen miteinander verknüpft,

Disaccharid, Polysaccharid, Ring-Kettenmoleküle

Fette

Kombination aus Glycerin und 3 Fettsäuren über eine Veresterungs-Reaktion,

Triacylglyceride

Nukleinsäuren

Base + Zucker (Ribose/Desoxyribose) = Nukleosid;

Nukleosid + Phosphat = Nukleotid,

über Phosphorsäureanhydrid-Bindungen zu Ketten verknüpft = Polynukleotid

Die in der Tabelle genannten Makromoleküle bauen die Zelle auf. Sie tragen verschiedene funktionelle Gruppen mit spezifischen Eigenschaften, die für ihre biologischen Funktionen und Wechselwirkungen wesentlich sind. Die einzelnen Stoffgruppen und die Prozesse bei denen diese zum Einsatz kommen werden in den folgenden Kapiteln noch detailliert beleuchtet.

Den Ursprung von Zellen sieht man in stabilen Tröpfchen, Aggregaten aus Makromolekülen, die sich von der Umgebung abgrenzen. Diese werden auch als Mikrosphären bezeichnet. Sie sind keine Lebewesen, können aber eine bestimmte chemische Zusammensetzung erhalten. Bei mikroskopischer Vergrößerung sind sie zellähnlich und werden deshalb auch als Protobionten bezeichnet.

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Aggregation = Anhäufung, Ansammlung

Dieser Inhalt ist Bestandteil des Online-Kurses

Zytologie

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Diese Themen werden im Kurs behandelt:

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  • Die Zelle: Baustein des Lebens
    • Einleitung zu Die Zelle: Baustein des Lebens
    • Zytologie als Thema im Abitur
    • Aufbau und Funktion der Zelle
      • Einleitung zu Aufbau und Funktion der Zelle
      • Organisationsmuster der Zelle
        • Einleitung zu Organisationsmuster der Zelle
        • Prokaryontenzelle
          • Einleitung zu Prokaryontenzelle
          • Unterteilung der Bakterien
            • Einleitung zu Unterteilung der Bakterien
            • Vermehrung von Bakterien
            • Bakteriophagen - Die Parasiten der Bakterien
        • Eukaryontenzelle
          • Einleitung zu Eukaryontenzelle
          • Organellen eukaryotischer Zellen
            • Einleitung zu Organellen eukaryotischer Zellen
            • Zellorganellen in der Übersicht
            • Chloroplasten und Mitochondrien im Fokus
    • Prokaryont - Eukaryont: Ein Vergleich
      • Einleitung zu Prokaryont - Eukaryont: Ein Vergleich
      • Mikroskopie von Zellen
      • Färbetechniken in der Mikroskopie
    • Biomembran und Kompartimentierung
      • Einleitung zu Biomembran und Kompartimentierung
      • Aufbau der Biomembran
      • Flüssig-Mosaik-Modell
      • Transportvorgänge in der Zellmembran
    • Zusammenfassung: Die Zelle
  • Organisationsebenen des Lebens
    • Einleitung zu Organisationsebenen des Lebens
    • Die Zelle als offenes System
    • Zellzyklus, Zellwachstum und Zellteilung
      • Einleitung zu Zellzyklus, Zellwachstum und Zellteilung
      • Mitose
      • Meiose
      • Onkologie - Unsterbliche Zellen
    • Vom Einzeller zum Mehrzeller
      • Einleitung zu Vom Einzeller zum Mehrzeller
      • Beispiele: Vom Einzeller zum Mehrzeller
    • Entwicklungsbiologie
      • Einleitung zu Entwicklungsbiologie
      • Ontogenese
      • Embryonalentwicklung
        • Einleitung zu Embryonalentwicklung
        • Furchungsprozesse
      • Fortpflanzung und Embryonalentwicklung beim Menschen
    • Stammzellen, Determinierung und Differenzierungsvorgänge
      • Einleitung zu Stammzellen, Determinierung und Differenzierungsvorgänge
      • Embryonale und adulte Stammzellen
        • Einleitung zu Embryonale und adulte Stammzellen
        • Differenzierung von Stammzellen
        • Beispiel: Genexpression bei Fruchtfliegen
        • Kerntransplantation: Therapeutisches Klonen
        • In Vitro Fertilisation und PID
    • Zusammenfassung: Organisationsebenen des Lebens
  • Die Pflanzliche Zelle
    • Einleitung zu Die Pflanzliche Zelle
    • Zelltypen
    • Dauer - und Teilungsgewebe
    • Pflanzenzelle im Lichtmikroskop
    • Nachweis von Glukose, Stärke, Cellulose, Lignin und Protein in Pflanzenprodukten
    • Zellkommunikation über Plasmodesmen
      • Einleitung zu Zellkommunikation über Plasmodesmen
      • Versuche zur Osmose - Tugor
        • Einleitung zu Versuche zur Osmose - Tugor
        • Vakuole und Plasmolyse
    • Zusammenfassung: Die pflanzliche Zelle
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