Die Zellbiologie

Die Zelle ist der Grundbaustein aller Lebewesen. Neue Zellen entstehen aus alten, Tochter- aus Mutterzellen. Der Grundbauplan (Organisationsgrad) der Zelle ist immer gleich. Eine Zelle besteht mindestens aus Zellmembran, Zellplasma und dem Zellkern bzw. Zellkernequivalent. Wir unterscheiden drei verschiedene Zellenarten: Tierzelle, Pflanzenzelle, Bakterienzelle. Außerdem werden Zellen anhand ihres Aufbaus differenziert. Prokaryoten (Procyten) sind kleine ursprüngliche Zellen. Eukaryoten (Eucyten) sind größere höher entwickelte Zellen. Sämtliche Zellorganellen also Zellbestandteile sind von Membranen oder Doppelmembranen umgeben. Diese dienen der Kompartimentierung womit Stoffwechselprozesse gleichzeitig jedoch räumlich getrennt ablaufen können.

1. Pro- und Eukaryoten

2. Funktionen der wichtigsten Zellorganellen

2.1. Biomembran

2.2. Cytoplasma

2.3. Zellkern

2.4. Mitochondrium

  • Abgrenzung von Zellen, Zell- und Reaktionsräumen
  • Regelung des Stoffaustausches zwischen Zellen und ihrer Umgebung
  • Aufbau elektrischer Potenziale
  • Reaktionsraum für viele Stoffwechselvorgänge
  • steuert alle Lebensvorgänge der Zelle
  • Trägt und Überträgt Erbinformationen
  • ist für die Zellteilung/Vermehrung zuständig
  • dienen der Zellatmung
  • wandeln Glucose in Energie (ATP) um

2.5. Plastiolen

2.6. Zellwand

2.7. Endoplam. Retikulum

2.8. Zellsaftvakuolen

  • als Chloroplast unter anderem Ort der Photosynthese
  • produzieren und speichern Glucose und geben dieses an das ZPL ab
  • verleiht der Zelle Stabilität
  • schützt die Zelle vor Viren, Bakterien und Pilzen
  • Abgrenzung bei Einzellern, Zellkontakt für Informationsaustausch, Zellverbindung
  • ist für die Bildung neuer Kernmembrane zuständig
  • Speicherfunktion
  • träger der Ribosomen
  • Speicherfunktion
  • regelt den Wasserhaushalt des ZPL und somit die Zellform

3. Biomembran (Flüssig-Mosaik-Modell)

Die in der Biomembran integrierten Tunnel- bzw. Carrierproteine lassen nur bestimmte Stoffe durch. Aufgelagerte Proteine, zum Zellaussenraum, tragen Kohlenhydrate oder Kohlenhydrat-Gruppen.

3.1. Kohlenhydrate

3.2. Lipide

3.3. Proteine

  • Zu der Stoffgruppe der Saccharide gehören auch die meisten Zuckerverbindungen. Zum Beispiel: Einfachzucker (Glucose), Zweifachzucker ( Saccharose), Mehrfachzucker ( Stärke, Polysaccharin).
  • Kohlenhydrate sind wesentlicher Bestandteil der menschlichen Nahrung und sind in vielen Grundnahrungsmitteln enthalten.
  • Pflanzen produzieren Kohlenhydrate, während der Photosynthese wird aus Kohlenstoffdioxid + Wasser » Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff.
  • Der Energiegehalt von 1 g Kohlenhydrat beträgt ca. 17,2 kJ.
  • Lipide dienen größtenteils zur Strukturierung von Biomembranen und werden als Fette zur Energiespeicherung genutzt.
  • Die meisten Lipide besitzen eine Hydrophile (wasserliebende Kopfgruppe) und eine Lipophile (fettliebender Kohlenwasserstoff-Rest) Seite.
  • Bei Zellmembranen kommen hauptsächlich zwei arten von Lipiden vor. Zum einen Triacylglycerine die aus Glycerin und drei verschiedenen Fettsäuren bestehen, zum anderen Phospholipide (Zellmembran) die aus Glycerin, zwei verschiedenen Fettsäuren und einer Phosphorsäure aufgebaut sind.
  • Der Energiegehalt von 1 g Fett beträgt ca. 38,9 kJ.
  • Eiweiße sind meist mehrere hundert oder Tausend verkettete Aminosäuren (AS1 – AS15 – AS7 – AS9).
  • Sie sind wichtige Strukturbausteine der Zelle und dienen unter anderem auch zum Stofftransport.
  • Der Energiegehalt von 1 g Eiweiß beträgt ca. 17,2 kJ.

4. Funktionen und Merkmale der Biomembran

4.1. Stofftransport

Aktiver und passiver Transport, die Membran ist für sehr kleine Moleküle durchlässig, Tunnelproteine erleichtern den Transport größerer Moleküle.

4.2. Abgrezung bzw. Zellkontakt

Abgrenzung bei Einzellern, Zellkontakt für den Informationsaustausch und für die Zellverbindung.

4.3. Zellerkennung

Aufgelagerte Kohlenhydrate oder Kohlenhydrat Gruppen

4.4. Stoffwechsel

An Proteine gebundene Enzyme beschleunigen die Stoffwechselvorgänge.

4.5. Information

An Proteine gebundene Rezeptoren dienen dem Informationsfluss zwischen Zelle und Umgebung oder lösen Reaktionen innerhalb der Zelle aus.

4.6. Kompartimentierung

Membranen im Inneren von Zellen schaffen verschiedene Reaktionsräume die voneinander getrennt sind. Dadurch ist der Ablauf gegenwärtiger Stoffwechselprozesse möglich. Wie der gleichzeitige Protein Ab- und Aufbau oder die Abgrenzung des Reaktionsraumes Cytoplasma vom Reaktionsraum Mitochondrien.

5. Stofftransporte an der Biomembran


5.1. Passiver Stofftransport

Stofftransport erfolgt ohne Energieaufwand, daher stets entsprechend dem Konzentrationsgefälle.
  • Diffusion – gegenseitiges Durchdringen zweier Flüssigkeiten oder Gase bis zum Konzentraionsausgleich - Ursache: Konzentrationsgefälle und Teilchenbewegung innerhalb der Zelle im Zytoplasma (BROWN’sche Molekularbewegung)
  • Osmose – gerichteter Fluss von Molekülen durch eine Semipermeable (Halbdurchlässige) Membran – die Passierbarkeit für Wassermoleküle und einige wenige Salze sowie Gase ist gut, schlecht hingegen passen grosse Moleküle wie zum Beispiel Eiweisse hindurch

5.2. Aktiver Stofftransport

Stofftransport erfolgt stets mit Energieaufwand, da der Transport entgegen des vorherrschenden Konzentrationsgefälles verläuft. In Zellen findet ein Ständiger Stoffauf- und Abbau statt.
  • Endozytose – der Transport erfolgt mit sogenannten Vesikeln – diese befördern meist zellfremdes Material in die Zelle wobei sich Teile der Zellmembran lösen
  • Exozytose – es wird Material aus der Zelle heraus befördert – die Vesikel verschmelzen hierbei mit der Zellmembran und geben das Teilchen frei


6. die Zelle als osmotisches System

Zellen reagieren auf Veränderungen des Miliens / des osmotischen Wertes in ihrer Umgebung. Osmotisch wirksam sind bei Pflanzenzellen der Zellsaft der Vakuolen und bei Tierzellen das Zellplasma. Konzentraionsausgleich ist meisst nur für Wasser möglich, da die Biomembran passiven Transport für viele (grosse) Moleküle verhindert. Das bestreben zum Konzentrationsausgleich gilt immer!

  • in höher konzentrierter Lösung (im Vergleich ZPL zu Vakuole)
    ≈ hypertonisch » sie verlieren Wasser
  • in niedriger konzentrierter Aussenlösung
    ≈ hypotonisch » es dringt Wasser ein

Konzentration gelöster Stoffe = C gel.St.

    6.1. Zelle in hypertonischer Lösung – PLASMOLYSE

  • C gel.St. ist grösser als C gel.St. in der Zelle
    » Vakuolen in der Pflanzenzelle verlieren Wasser

    6.2. Zelle in hypotonischer Lösung – DEPLASMOLYSE

  • C gel.St. ist niedriger als C gel.St. in der Zelle
    » Vakuolen in der Pflanzenzelle nehmen zusätzlich Wasser auf

    6.3. Zelle in isotonischer Lösung

  • C gel.St. ist gleich C gel.St. in der Zelle

Die Plasmolyse bzw. Deplasmolyse finden wir nur bei Pflanzenzellen. Zum Beispiel wenn Früchte nach dem Regen Platzen, Haltbarmachung durch Pökeln, Salat der nach der Zubereitung welk wird usw.

6.4. Anwendungsaufgabe

Man Giesst eine Blume mit gedüngtem Wasser, die Blume wird anschliessend welk, warum?

  • hier ist als erstes zu Betrachten: das Giesswasser (Wasser+Dünger) » Zellinnere der Pfalnzenzelle

Ein Bestreben zum Konzentrationsausgleich gilt für alle Moleküle, in diesem Fall also für Salz-Ionen wie auch den Wassermolekülen. Die C gel.St. im Giesswasser ist grösser als die C gel.St. in der Pflanzenzelle. Die Konzentration der Wassermoleküle im Giesswasser ist kleiner als die der Pflanzenzelle. Ein Konzentrationsausgleich ist nur für Wassermoleküle möglich, dadurch wird der Pflanzenzelle solange Wasser entzogen bis die Konzentration von Salz-Ionen ausgeglichen ist.

7. Enzyme als Biokatalysator

Enzyme sind Proteine (Eiweiße) mit einer muldenartigen Vertiefung auf der Oberfläche – dem aktiven Zentrum. Enzyme erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit, in dem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen, damit können Reaktionen bereits bei Körpertemperatur stattfinden. Enzyme gehen unverändert aus den Reaktionen hervor. Das aktive Zentrum ist der einzig Katalytisch wirksame Bereich des Enzyms, nur hier werden die Reaktionen beschleunigt. Dabei werden Substrate die zum aktiven Zentrum des Enzyms passen umgesetzt. Nach der Reaktion sind die Substrate so verändert, dass sie nicht mehr ins aktive Zentrum passen, daher lösen sie sich ab.

Enzyme arbeiten substratspezifisch (Gestalt des aktiven Zentrums bestimmt, welches Substrat sich an lagern kann und umgesetzt wird.)

Enzyme arbeiten wirkspezifisch (Chemische “Ausstattung” des Aktiven Zentrums bestimmt darüber, welche chem. Reaktion am Substrat vollzogen wird.)

Die Enzymaktivität ist abhängig von Temperatur, pH-Wert und Substrat-Konzentration. (RGT-Regel = Reaktion-Geschwindigkeit-Temperatur-Regel)

Enzyme können durch Substanzen gehemmt werden, beispielsweise durch Schwermetalle. (Enzymgifte)

Eine erhöhung der Temperatur um 10°C beschleunigt die Reaktion um das zwei bis zweieinhalb-fache.

7.1. Ablauf und Beeinflussung von Enzymreaktionen

Enzyme erniedrigen die Energie, die nötig ist um eine Reaktion ablaufen zu lassen. Stoffe benötigen „Aktivierungsenergie“, um bestehende chemische Bindungen zu lösen und um neue Bindungen unter Bildung von Reaktionsprodukten zu knüpfen.

Das absenken der Aktivierungsenergie (AE) beschleunigt den Ablauf chemischer Reaktionen um ein Vielfaches. Zellen besitzen 100-1000 verschiedene Enzyme, die für viele verschiedene Reaktionen benötigt werden. Dies geschieht unter dem Aspekt der RGT-Regel, also dem Temperatur- und PH-Wert optimum, bei dem die Enzymaktivität also auch Reaktionsgeschwindigkeit am grössten ist. Enzymreaktionen laufen nur bei einer spezifischen Temperatur und einem spezifischen pH-Wert ab. Enzyme können auch durch Enzymgifte bzw. Schwermetalle beeinflusst werden. Dabei binden  sich die Ionen so an die Enzyme, dass diese völlig inaktiviert werden. Vor allem  Ionen von Kupfer-, Quecksilber-, Arsen oder Bleiverbindungen, aber auch Pilzgifte binden bevorzugt an die Schwefelbrücken der Enzymproteine, die für die Molekülgestalt sehr wichtig sind.

Diese Deformation des aktiven Zentrums führt dazu, dass die Substarte nicht mehr gebunden werden können.

[Beispiele]

Eine chemische Reaktion X ohne Enzym … benötigt 125kJ/mol -> 12 Jahre Reaktionsdauer
Die selbe Reaktion X mit Enzym … benötigt 63kJ/mol -> 5 millisekunden Reaktionsdauer!!!

Das Enzym Amylase spaltet Stärke …<><>|<><>|<><>… in Saccharose (Zweifachzucker) …<><>…….<><>…
Und das Enzym Saccharase spaltet Saccharose …<>|<>… in Glucose (Einfachzucker) …<>…….<>…

Katalase, ein Enzym vieler lebender Zellen (auch Kartoffel), zersetzt Zellgift in ungiftige Reaktionsprodukte. In diesem Fall Wasserstoffperoxyd in Wasser und Sauerstoff. H2O2 -> H2O + 1/2 O2