Grundlagen Zellbiologie

7/25/2019 Grundlagen Zellbiologie

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Zellbiologie

Jocelyne Kuhn

KME Zurich

3. Semester 2014/15


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1 Biologie: Die Lehre vom Lebenden

Den Weg der naturwissenschaftlichen Forschung von der Beobachtung bis zur

Theorie beschreiben.

1 Tatsachen

Durch Ermittlung von Fakten durch Beobachten oder durch Experimente. Ausexperimentellen Resultaten entstehen gltige Tatsachen oder Gesetzmssigkeiten.2 HypothesenMan "erfindet" eine widerspruchsfreie und logische Erklrung aus der sichexperimentell berprfbare Voraussagen ableiten lassen.3 TheorieEine besttigte Hypothese wird zu Theorie. Sie ist abnderlich und muss dem

jeweiligen Stand des Wissens aktualisiert werden.

Die Begriffe Theorie, Hypothese und Gesetz unterscheiden.

Theorie:umfassende Vorstellung eines Phnomens, mssen an den aktuellenWissensstand angepasst werdenHypothese:(gr.: Unterstellung) eine Annahme, die experimentell getestet wird. Beieiner Besttigung wird sie zu einer Theorie.Gesetz:sind unabnderlich, und stimmen mit den experimentellen Resultatenberein.

Die Kennzeichen eines Lebewesens aufzhlen und erlutern.

Stoffwechsel

Der Stoffwechsel umfasst alle Vorgnge von der Stoffaufnahme ber denStofftransport und die Stoffumwandlungen im Krper bis zur StoffabgabeReaktionsvermgenLebewesen reagieren durch Bewegungen, Lautusserungen. Farbnderungen,Reaktionen im Stoffwechsel usw. Es gibt ussere Reize wie auch innere Faktoren.Wachstum und EntwicklungLebewesen wachsen und entwickeln sich aktiv und planmssig. Ihr Leben beginntmit einer Zelle.FortpflanzungLebewesen entstehen durch Fortpflanzung aus Lebewesen der gleichen Art. DieFortpflanzung dient zur Vermehrung und Bildung neuer Varianten, die vielleicht

erfolgreicher sind als ihre Eltern.Aufbau aus ZellenLebewesen bestehen aus mind. Einer Zelle (meist kleiner als 1/10mm). Sie enthaltenErbgut mit dem Bauplan und der Betriebsanleitung , das die Entwicklung der Zellesteuert. Zellen erstehen durch Teilung bereits bestehender Zellen.


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Die Bedeutung des Stoffwechsels darlegen.

Aufgaben:dient zu Aufbau und zur Erneuerung des Krpers, liefert Baustoffe undBetriebsstoffe. (Wachstum, Reaktionsvermgen und Fortpflanzung)Baustoffeum zu wachsen oder um alte und beschdigte Teile zu ersetzen und

Nachkommen bilden.Betriebsstoffe liefern Energie fr ihre biologische Aktivitten. Werden durch Nahrungaufgenommen oder durch Sonnenenergie hergestellt.

Aufzeigen, wodurch sich autotrophe und heterotrophe Lebewesen

unterscheiden.

Autotrophe Lebewesen nehmen ihre Bau- und Betriebsstoffe aus anorganischenStoffen. Die meisten beziehen die ntige Energie von der Sonne, indem sie mit Hilfevon Sonnenlicht aus Kohlendioxid und Wasser Traubenzucker und Sauerstoffherstellen.

Heterotrophe Lebewesen mssen Nahrung mit organischen Stoffen aufnehmen undverdauen. Sie beziehen ihre Energie aus der Nahrung.

Die zwei Aufgaben der Fortpflanzung nennen.

Die Fortpflanzung dient zur Vermehrung und der Bildung neuer Varianten.

Beispiele fr das Reaktionsvermgen von Pflanzen und Tieren nennen.

Pflanzen: reagiert im Verlauf des Tages auf die Sonne.

Tiere: Ein hungriger Lwe geht jagen um sein Bedrfnis zu Stillen, seine Reaktion ist: Erisst ein Gazelle.

Aufzeigen, wodurch sich das Wachstum und die Entwicklung von Lebewesen

auszeichnen.

Wachstum und Entwicklung sind durch das Erbgut gelenkt und werden von derUmwelt beeinflusst.

Die Strukturen eines Lebewesens hierarchisch geordnet nennen und definieren.Atome Molekle Organellen Zellen - Gewebe Organe OrganismenVielzellige Organismen sind Systeme aus mehr oder weniger abgegrenzten Organenmit bestimmten Aufgaben, die zusammenarbeiten.Organe bestehen aus verschiedenen Geweben.Gewebe sind Verbnde von gleichartigen Zellen.Zellen enthalten verschiedene Organellen.Zelle und Zelleorganellen sind aus Teilchen wie Moleklen aufgebaut.Molekle sind aus mehreren Atomen zusammengesetzt.


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Darlegen, warum die Unterscheidung von lebend und tot schwierig sein kann.

Weil wir Leben nicht przise definieren knnen. Die Antwort der rzte istnaturwissenschaftlich einleuchtend, aber letztendlich doch willkrlich: Wenn im Hirn,das die Arbeit der Organes steuert und koordiniert. Keine Aktivitt mehrnachgewiesen werden kann, gilt der Mensch als tot.

Die wichtigsten Teilgebiete der Biologie nennen und beschreiben , womit sie sich

befassen.

Botanik (Pflanzen) Zoologie (Tiere) Humanbiologie (Mensch) Molekularbiologie(Biomolekle) Cytologie (Zellen) Histologie (Gewebe) Anatomie (innerer Bau) Physiologie ( Funktionsweise ) Genetik (Vererbung) kologie (Umwelt) Ethologie(Verhalten) Evolution (Entwicklung)

2 Stoffe und Teilchen

Die drei Aggregatzustnde beschreiben und mit Hilfe des Teilchenmodells

erlutern.

FestFeste Stoffe lassen sich schwer verformen. Sie haben eine fixe Form und ein fixesVolumen. Die Teilchen sind dicht gepackt und durch starke Krfte in einer starren,regelmssigen Anordnung zusammengehalten.FlssigFlssige Stoffe lassen sich leicht verformen, aber nicht zusammendrcken. Sie habeneine variable Form, aber ein fixes Volumen. Die Teilchen sind beweglich, haften aber

immer noch stark aneinander.GasfrmigGasfrmige Stoffe verteilen sich im ganzen Raum und lassen sich leicht verformenund zusammendrcken. Sie haben eine variable Form und ein variables Volumen.Die Teilchen bewegen sich praktisch frei. Die Abstnde zwischen den Teilchen sindsehr gross und die Anziehungskrfte klein.

Atome, Ionen und Molekle definieren und an der Formel erkennen.

Atome sind unteilbare Teilchen. Sie bestehen aus Elementarteilchen Protonen (+) ,

Elektronen (-) und Neutronen (neutral). Als Symbol fr die Atome verwenden wir dieElementsymbole.Ionen entstehen durch Aufnahmen bzw. Abgaben von Elektronen. Im Symbol einesIons schreibt man die Ladungszahl (wenn sie > 1 ist)Molekle entstehen durch die Verbindung mehrerer Atome. Sie sind so stabil, dass siebeim Schmelzen und Sieden erhalten bleiben. Die Formel eines Molekls besteht ausden Symbolen der verbundenen Atome, gefolgt von der tiefgestellten Zahl fr ihreAnzahl in einem Molekl (wenn sie >1 ist) z.B. : CO2 , H2O usw.


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Die Unterschiede und die bereinstimmungen zwischen der Assimilation

autotropher und heterotropher Zellen darlegen.

autotrophe Zellen: nehmen anorganische Stoffe um organische Stoffe aufzubauen.Die dominierenden sind: Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff (C,H,O,N)

C-Assimilation (Kohlenstoff-Assimilation): Fotosynthese. Der Traubenzucker ist dieBasis aller autotrophen Assimilationen, da er als Ausgangsstoff zur Herstellunganderen organischen Verbindungen dient. Eine seltener Form ist Chemosynthesedie gewisse Bakterien zum Aufbau von Traubenzucker Energie aus chemischenVorgngen nutzen.

N-Assimilation: Zur Herstellung der Aminosuren, aus denen die Eiweisse bestehen,und fr die Nucleotide der Nucleinsuren, muss auch das Element Stickstoffassimiliert werden, weil die Molekle dieser Stoffe Stickstoff-Atome enthalten.Autotrophe Zellen verwenden als Stickstoffquelle anorganische Stoffe (z.B. Nitrate)aus dem Wasser oder aus dem Boden. Den gasfrmigen Stickstoff aus der Luftknnen nur ganz wenige Bakterien nutzen.

heterotrophe Zellen: Die Bausteine muss als Nahrung aufgenommen werden.Heterotrophe Lebewesen brauchen krperfremde organische Stoffe, die sie vonanderen Lebewesen bernehmen, zuerst verdauen. Eiweisse !Aminosure /Kohlenhydrate!Einfachzucker / Fette!in Fettsuren und Glycerin

Die Summengleichung der Fotosynthese formulieren und die Verwendung der

Produkte errtern.

Die Fotosynthese ist die Form der C-Assimilation, zu der die mit Chloroplastenausgersteten Zellen fhig sind. In einer langen Folge von Reaktionen werden mitHilfe von Lichtenergie aus je 6 Moleklen Kohlendioxid und Wasser 1 Molekl

Traubenzucker 6 Molekle Sauerstoff hergestellt. Die Summengleichung lautet:

6 CO2 + 6 H2O +Lichtenergie!

C6H12O6 + 6 O2

Umfang und Bedeutung der Fotosynthese diskutieren und mit Zahlen

veranschaulichen.

Die Fotosynthese bildet die Grundlage des Bau- und Betriebsstoffwechsels. Alle C-heterotrophen Lebewesen ernhren sich direkt oder indirekt von Pflanzen. DieFotosynthese liefert ihnen die Nahrungsgrundlage und den Sauerstoff. Zur Herstellung

von 100g Traubenzucker werden 1570kJ Lichtenergie bentigt. Die jhrlicheProduktion aller Pflanzen betrgt etwa 450 Milliarden Tonnen Traubenzucker.


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Die Vorgnge der Lichtreaktion und der Dunkelreaktion summarisch beschreiben.

In der Lichtreaktion der Fotosynthese wird am Chlorophyll im Granabereich derChloroplasten Wasser fotolysiert. Der Sauerstoff wird als O2frei, der Wasserstoff wirdan ein Trger-Molekl gebunden. Isotopenuntersuchungen haben bewiesen, dass

der freigesetzte Sauerstoff durch die Spaltung von Wasser entsteht. Zur Herstellungvon einem Zucker-Molekl werden 12 Wasser-Molekle gespalten in 6 Molekle O2und 24 H-Atome.Das Chlorophyll verwendet die Lichtenergie auch zur Herstellung von ATP aus ADP+P.Das ATP bleibt im Chloroplasten und wird fr die endothermen Reaktionen derFotosynthese bentigt.

12 H2O + 24 H +Lichtenergie! 24 H + 6 O2

18 ADP + 18 P +Lichtenergie! 18 ATP

In den Lichtunabhngigen Reaktionen wird au Kohlendioxid und Wasserstoff Glucosehergestellt. Gleichzeitig entsteht Wasser.

6 CO2+ 24 H C6H12O6+ 6 H2O18 ATP ENERGIE 18 ADP + 18 P

Die Energie fr diese Reaktionen liefert das in den Lichtreaktionen bereitgestellte ATP.

Dass das Wasser sowohl Edukt als auch Produkt der Fotosynthese ist, kann durch dieerweiterte Summengleichung ausgedrckt werden.

6 CO2 + 12 H2O +Lichtenergie!

C6H12O6 + 6 O2+6 H2O

Errtern, wie der Sauerstoff als Produkt der Fotosynthese entsteht.

Bei der Fotolyse eines Wasser-Molekls entstehen zwei Wasserstoff-Atome und einSauerstoff-Atom. Das Sauerstoff Atom, bildet mit einem Artgenossen ein O2-Molekl.So entsteht der gasfrmige Sauerstoff.

Beschreiben, mit welcher Methode der Weg bestimmter Atome im Stoffwechsel

verfolgt werden kann.

Durch die Isotopentechnik. Isotope sind Atome desselben Elements, die sich in derNeutronenzahl und damit in der Atommasse unterscheiden, chemisch aber diegleichen Eigenschaften besitzen.

Erklren, wodurch sich die Chemosynthese von der Fotosynthese unterscheidet.

Die Chemosynthese ist eine spezielle Form de C-Assimilation gewisser Bakterien. DieSummengleichung ist dieselbe wie bei der Fotosynthese. Die Energie wird jedochdurch die Oxidation von anorganischen Stoffen aus der Umgebung gewonnen.


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Den Unterschied zwischen heterotrophen und chemosynthetischen Bakterien

deutlich machen.

Chemosynthetische Bakterien stellen Traubenzucker aus Kohlendioxid und Wasserselbst her.

13 Dissimilationsvorgnge

Den Begriff Dissimilation definieren und die Bedeutung der Dissimilation erklren.

Dissimilation ist der Abbau von energiereichen organischen Stoffen zuenergiermeren und der damit gekoppelte Aufbau von ATP aus ADP + P. Somitwerden endotherme Reaktionen und biologische Arbeiten wie Transport undBewegung ermglicht. Die Dissimilation verluft in heterotrophen und autotrophenZellen gleich.

Die Rolle des ATP in der Zelle errtern.

Die Energie des ATP ermglicht alle Energie verbrauchenden Vorgnge in denZellen: Sie wird durch Spaltung des ATP in ADP + P freigesetzt und fr Bewegungen,Transporte, endotherme chemische Reaktionen etc. genutzt.

Den Ablauf der Zellatmung beschreiben und angeben, welche Vorgnge in der

Mitochondrien ablaufen.

Der aerobe Abbau von Traubenzucker durch die Zellatmung liefert Kohlendioxid undWasser und setzt die ganze Energie frei, die bei der Fotosynthese im Traubenzucker

gespeichert wurde. Bei der Oxidation von einem Molekl Traubenzucker werden 38ATP Molekle gebildet.

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 12 H2O38 ADP + 38 P ENERGIE 38 ATP

Vor-und Nachteile der Grungen darlegen.

Vorteile:Muskeln haben in ihrer Ruhephase noch zu wenig Sauerstoff und arbeiten deshalbanaerob und produzieren Milchsure um die Zeit mit schlechter Sauerstoffversorgungzu berbrcken.

Nachteile:Eine Anhufung von Milchsure in den Muskelzellen kann zu Schden in denMuskelzellen und zu Muskelkater fhren.Ausserdem hat die Grung gegenber der Zellatmung eine sehr geringeEnergieausbeute ( 2 statt 38 ATP)

Die Bedeutung der Milchsuregrung in tierischen Zellen beschreiben.

Bei Grungen wird der Zucker ohne Sauerstoff (anaerob) im Plasma abgebaut. DerAbbau beginnt wie die Zellatmung mit der Glykolyse zu Brenztraubensure. Diesewird dann in Milchsure umgewandelt. Die Milchsuregrung treffen wir bei

gewissen Pilzen und Bakterien. Tierische Zellen benutzen sie bei Sauerstoffmangel zurATP-Beschaffung.


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Vorkommen und Bedeutung der alkoholischen Grung beschreiben.

Zur alkoholischen Grung sind nur Hefepilze fhig. Sie wandeln bei SauerstoffmangelTraubenzucker in Ethanol und Kohlendioxid um.

14 Zellwachstum und Zellvermehrung

Die Phasen des Zellzyklus nennen und charakterisieren.

Interphase :In der Interphase wchst die Zelle und verdoppelt ihr Erbgut. Dabei wirdjede Chromatinfaser verdoppelt. Dies geschieht in der S-Phase (Synthese) unddauert etwa 8 Stunden. Das Intervall vor der Verdoppelung heisst G1-Phase (G frGap).Zellteilung:Beginnt mit der Kernteilung, die man Mitose nennt und endet mit derTeilung des Cytoplasmas. Sie dauert etwa 30 min bis 24 Stunden.

Die Bedeutung der Zellteilung fr Einzeller und fr die Vielzeller errtern.

Bei Einzellerndient die Zellteilung der Fortpflanzung. Aus einem Lebewesen entstehenzwei neue mit gleichem Erbgut. Das ursprngliche Lebewesen verschwindet, ohneeine Leiche zu hinterlassen. Einzeller kennen keinen Alterstod.Bei Vielzellernkann die Zellteilung der Fortpflanzung oder dem Wachstum und derErneuerung dienen. Zellen, die sich nicht mehr teilen, haben eine beschrnkteLebensdauer

Die Aufgaben des Interphasenkerns erlutern.

Im Interphasenkern liegt das Erbgut in Form von langen Chromatinfasern vor und

kann zur Steuerung der Zelle (Bildung mRNA) abgelesen werden. In der S-Phase derInterphase (zwischen G1 und G2) werden die Chromatinfasern verdoppelt. Zu Beginnder Kernteilung spiralisieren sie sich zu Chromosomen.

Die Bedeutung und das Resultat der Mitose darlegen.

In der Mitose werden die in der Interphase verdoppelten Chromatinfasern so aufzwei Tochterkerne verteilt, dass jeder Kern je einen erhlt. Dazu werden die langenChromatinfasern durch mehrfaches Aufspiralisieren in eine transportierbare Formgebracht. Sie verkrzen und verdicken sich zu Chromosomen. Jedes Chromosomhat eine charakteristische Grsse und Gestalt. Die meisten sind einer

Wscheklammer hnlich.

Die Gestaltnderung des Erbmaterials im Zellzyklus beschreiben.

Die Chromatinfasern spiralisieren sich zu Chromosomen, die man zur Mitose bentigt.Die Chromosomen bestehen aus je zwei Chromatiden und sind am Centometerverbunden. In der Interphase muss die Chromatinfaser deshalb entspiralisiert werden.


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Chromatinfaser, Chromatide und Chromosom definieren.

Chromatinfaser: Das Chromatin ist das Erbmaterial im Interphasenkern. Es besteht ausfeinen Fden, die aus DNA und Eiweissen aufgebaut sind. Die Chromatinfasernwerden in der Interphase verdoppelt und in der Prophase zu Chromatiden spiralisiert.

Chromatide: Ein Chromatid ist eine mehrfach spiralisierte Chromatinfaser whrendder Mitose.Chromosom:Chromosomen sind die Transportform des Erbgutes whrend derMitose. Jedes Chromosom hat eine charakteristische Gestalt, Grsse und(nach Frbung) ein typisches Bandenmuster. Jedes Chromosom trgt bestimmteGene.

Zu Beginn der Mitose besteht jedes Chromosom aus zwei Chromatiden. Am Ende der Mitose besteht jedes Chromosom aus einem Chromatid.

Homologe Chromosomen sehen gleich aus und tragen die Gene fr die gleichenMerkmale.

Die vier Phasen der Mitose beschreiben.

Prophase:Die Kernhlle und die Kernkrperchen lsen sich auf und dieChromatinfasern spiralisieren sich zu Chromatiden. Dabei entstehen aus den zweiidentischen Chromatinfasern zwei Schwesterchromatiden, die nebeneinander liegenund am Centometer zu einem Zweichromatiden-Chromosom verbunden sind. ImCytoplasma bildet sich der Spindelapparat. Seine Fasern bestehen aus Bndeln vonMikrotubuli.Metaphase:Die Centromere der Chromosomen werden mit dem Spindelapparatverbunden und in die quatorialebene der Zelle gezogen.Anaphase:Jedes Chromosom wird in die Schwesterchromatiden geteilt. Das

Centromer teilt sich und je ein Chromatid wandert entlang den Spindelfasern zueinem der beiden Pole.Telophase:Die Chromatinfaser der Chromatiden (auch Einchromatid-Chromosomengenannt) entspiralisiert sich wieder. Bei beiden Tochterkernen bilden sich dieKernhlle und die Kernkrperchen neu. Der Spindelapparat lst sich auf.Ergebnis: Das Resultat der Mitose sind zwei identische Tochterkerne. DieChromosomenzahl bleibt unverndert. Jedes Chromosom besteht aber zu Beginnder Mitose aus zwei Chromatiden, danach nur noch aus einem.


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Den Unterschied zwischen haploiden und diploiden Zellen darlegen.

Haploid:Zellen mit einem einfachen Satz von n verschiedenen Chromosomen nenntman haploid. Die Chromosomen unterscheiden sich in Grsse, Gestalt undBandenmuster voneinander. Die Zahl n der Chromosomen ist arttypisch und liegtzwischen zwei und ber tausend. Bei Menschen ist n = 23.

Diploid:Diploide Zellen besitzen einen doppelten oder zweifachenChromosomensatz. Er besteht aus zwei einfachen Chromosomenstzen, von denen

jeder das vollstndige Erbgut enthlt. Diploide Zellen besitzen 2n Chromosomen(Mensch: 2 x 23 = 46), von denen je zwei gleich aussehen und die Gene fr diegleichen Merkmale tragen.

Den Begriff homologe Chromosomen definieren.

Wenn zwei Chromosomen praktisch gleich aussehen erkennt man den doppeltenChromosomensatz. Homologe Gene tragen die Gene fr die gleichen Merkmale.

Erklren, warum die Zellen der meisten Vielzeller diploid sind.

Die meisten Vielzeller entwickeln sich aus einer Zygote, die bei der geschlechtlichenFortpflanzung aus zwei Gameten entsteht. Bei der Befruchtung verschmelzen diebeiden Gametenkerne zum Zygotenkern. Dieser enthlt somit die einfachenChromosomenstze beider Gameten und ist darum diploid. Da sich die Kerne derKrperzellen durch Mitosen aus dem Zygotenkern entwickeln, sind sie diploid.

Am Karyogramm erkennen, ob eine Zelle haploid oder diploid ist.

Beim geordneten Karyogramm erkennt man das je zwei Chromosomen identischaussehen und dasselbe Bandenmuster haben.

Die Bedeutung und das Resultat der Meiose darlegen.

Bei der Befruchtung verschmelzen die haploiden Kerne von zwei Gameten. DieChromosomen von zwei haploiden Zellen werden im Zygotenkern zusammengelegt.Die diploiden Krperzellen, die sich durch Mitose aus der Zygote entwickeln,enthalten von jedem Elternteil einen einfachen Chromosomensatz.Die Meiose (Reduktionsteilung) halbiert die Chromosomenzahl. Sie besteht aus zweiKernteilungen und fhrt von einem diploiden Kern zu vier haploiden Tochterkernen.

Diese sind im Erbgut verschieden. In der ersten Teilung wird de Chromosomenzahlhalbiert (reduziert). Jeder Tochterkern erhlt von den beiden homologenChromosomen je eines. Im zweiten Schritt werden wie bei der Mitose- die beidenSchwesterchromatiden von jedem Chromosom getrennt.

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