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Wissenswertes rund um die Zelle

A 1   Kennzeichen des Lebens:

(eine Kerze hat Stoffwechsel und ein Salzkristall wächst in gesättigter Lösung, aber zum „Leben" braucht es viererlei zugleich):

Stoffwechsel („Futter rein, Müll raus")
Wachstum
Reizbarkeit (Erkennen von Futter, Bewegung zum Licht, Kontakt zu Nachbarn...)
Fortpflanzung (mit Kindern, die von den Eltern Baupläne erben, mit Datentransport über Generationen)

A 2   Zeitskala des Lebens

Bakterien gibt es seit 3,5 Milliarden Jahren. Damals gab es keinen Sauerstoff in der Atmosphäre, sie war "reduzierend". 
Seit 2,5 Milliarden Jahren geben dann chlorophyllhaltige Blaualgen Sauerstoff in die Atmosphäre ab - sie wird "oxidierend".

Einzeller mit Zellkern und Organellen „Eucyten" gibt es seit 1,5 Milliarden Jahren ---> Vielzeller seit 600 Millionen Jahren (Ediacara-Fauna; Kambrische Explosion)     Buch „Eukaryot" S. 104 

A 3  Virus und Bakterium sind zunächst Randgestalten. Wir müssen nur die Größenverhältnisse kennen: Durchmesser maximal 1/10 mm Eucyte, maximal 1/100 mm Bakterium, maximal 1/1000 mm Virus.

A 4  Vielfalt der Zelltypen - Skizzen einiger Körperzellen:
Nervenzelle - Muskelzelle - Schleimzelle - Pigmentzelle                 Buch S. 110

B Bau der Biomembran mit Phosopholipiden (Vergleich mit Tensidwirkung, hydrophober und hydrophiler Bereich), Tunnelproteinenen, die passiv (Poren) oder aktiv (ATP-Verbrauch, Carrierer, Drehtürmodell) funktionieren, innen oder außen ansitzenden Rezeptoren (Aufgaben: Empfang von Hormonsignalen außen, Kennzeichnung der Zelle nach außen für das Immunsystem und für geregelte Bauvorgänge im Organismus, Ablauf chemischer Prozesse innen, bei denen Enzyme in der Membran fixiert werden und dadurch zusammenarbeiten können, Enzymkette)

Leistung der Biomembran: "Fließmembran" - kann sich seitlich wie Flüssigkeit bewegen (Analogie zur schillernden Bewegung des Wassers in der Ebene der Seifenblase), ist aber von außen nach innen relativ stabil und weitgehend für Stoffe undurchlässig (semipermeabel: Wasser und Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid diffundieren, Salze tun dies nicht - Osmose - und auch sonstige im Wasser gelöste Moleküle schaffen es nicht - Selektivität der Stoffaufnahme als wichtig für das Funtkionieren der Zelle)  Buch S. 342

"Universalität der Membran", die im Golgi-Apparat hergestellten Membranen werden dort als Vesikel abgeschnürt. Diese Vesikel können Inhaltsstoffe transportieren (z.B. Drüsensekrete - Drüsenzellen erkennt man im Mikroskop an ihrer großen Menge von Golgi-Apparaten). Die Vesikel können aber schlicht auch Membran-Baumaterial bereitstellen. Diese Membranen können in der Eucyte verschmelzen mit: Außenmenbran, Kern-Doppelmembran, Membran des E.R. . Nur die Mitochondrien und, bei Pflanzen, die Chloroplasten bauen ihre Membranen von innen her unabhängig auf, und die in ihnrer Innenmenbran steckenden Proteine (nicht der Grundbau, der ist der gleiche, also universell) sind eigenständig.

Folgen der beweglichen und universellen Biomembran: Exocytose (Stoffe aus Vesikeln werden nach außen abgegeben) und Endocytose (Stoffe von außen werden durch Umfließen aufgenommen, Zeichnung, wie das eine Amöbe macht)

"Kompartimentierungsprinzip" : Dadurch unterscheidet sich die Eucyte mit ihren Organellen vom Bakterium. Im Bakterium gibt es keine Organellen. Es hat nur Einstülpungen der Außenmenbran. Dadurch hat es chemisch nur ein Hundertstel der Möglichkeiten der Eucyte: Die Abgrenzung chemischer Reaktionsräume voneinander wird durch Kompartimente, durch membranumschlossene Räume, ermöglicht.
Beispiel 1: Unsere Magensäure ist Salzsäure. Sie hat in den Herstellenden Drüsenzellen den PH 1 - der würde alles zerfressen. Aber diese Salzsäure kann die Membran der Vesikel nicht durchdringen, in denen sie hergestellt wird.
Beispiel 2: Ein Virus wird von einer Fresszelle (>Immunsystem) umflossen, per Endocytose aufgenommen und innerhalb des Vesikels verdaut. Dadurch kann er die Fresszelle nicht angreifen.                     Buch S. 342.

C Endosymbiontentheorie: Warum sind Mitochondrien so ähnlich gebaut wie Bakterien (nur ohne Bakerienwand)? Warum sind Chloroplasten so ähnlich gebaut wie kernlose Grünalgen (nur ohne Zellwand?) > Es handelt sich um eine Symbiose zwischen einer Wirtszelle - die vielleicht schon einen Kern hatte, dessen Herkunft ist unklar - und kernlosen Einzellern. Diese wurden per Endoycytose gefressen und dabei mit einer Membran der Wirtszelle umgeben.

Beweise:
1. eigene ringförmige DNA
2. eigene Teilung
3. Etwas leichtere Ribosomen als die sonstige Zelle, aber die gleichen wie Bakterium / Alge
4. Die Außenmembran der Doppelmembran gleich derjenigen der umgebenden Zelle. Die Innenmembran zeigt vergleichbare Einlagerungen und damit Eigenschaften ihrer Biomembran wie Bakterium / Alge
5. Es gibt noch heute Symbiosen, bei denen Eucyten selbstständig lebensfähige Algen in sich beherbergen oder Bakterien, und sie nicht verdauen, sondern deren Stoffwechsel nutzen.

D zwei chemische Prozesse:

Im Mitochondrium die "Zellatmung". Messbar nach außen ist der respiratorische Quotient: Sauerstoff wird aufgenommen, Kohlendioxid wird abgestoßen. Ein Mensch amtet z.B. 21 Prozent Sauerstoff ein und nur wieder 18 Prozent aus. Zugleich atmet er 0.04 Prozent Kohlendioxid ein und 0,06 Prozent wieder aus. Nebenbei wird bei der Zellatmung auch Wasser aus Nährstoffen hergestellt. Es gibt Wüstentiere, die mit diesem Stoffwechselwasser überleben können, also nicht zwingend trinken müssen. Z.B. unsere Goldhamster (die kamen aus dem türkischen Hochland) können das im Prinzip noch.

Bei der Zellatmung wird der Energie-Transportstoff zwischen den Zellen (Glucose) chemisch so zerlegt, dass möglichst viel Energie-Transportstoff IN der Zelle (ATP aus ADP) entsteht (rechnerische Energie-Ausbeute: 40 Prozent!).
Die Zellatmung ist so organisiert, dass sie auch Fette, sogar Protein zur ATP-Gewinnung heranziehen kann. Der Trick ist ein gemeinsamer Zwischenstoff der chemischen Zerlegung, egal ob es sich um Glucose, Fett oder Protein handelt: Die "aktivierte Essigsäure", ein C2-Molekül.
Im typischen Fall, bei der Zerlegung von Glucose C6H12O6, wird also aus diesem C6-Molekül zunächst aktivierte Essigsäure C2 hergestellt. Dabei werden schon erste ATP-Moleküle erzeugt (wenn Sauerstoff fehlt, bei der "Gärung", ist das alles, was die Zelle aus Glucose herausholen kann - in der Bilanz 4 ATP, während bei Zellatmung mit Sauerstoff 38 ATP entstehen).
Nach dieser Glykolyse C6 > 3 x C2 folgt bei der Zellatmung der "Zitronensäurezyklus". In ihm wird aktivierte Essigsäure an ein C4-Molekül geheftet - dabei entsteht ein zerbrechliches Molekül, die aktivierte Zitronensäure. Diese wird unter Ausstoß von zwei mal CO2 und Wasser wieder zum C4-Molekül abgebaut. Dabei entsteht ein wertvolles Zwischenprodukt, das NADH2. Dieses kann in der anschließenden Atmungskette seinen Wasserstoff auf Sauerstoff übertragen - und dabei erst entstehen dann die meisten (30) der ATP-Moleküle der Zellatmung.

In Chloroplasten die Photosynthese. Diese besteht aus zwei chemischen Teilreaktionen:
In der Lichtreaktion wird mit Sonnenenergie Wasser gespalten. Sauerstoff gelangt in die Atmosphäre, Wasserstoff wird auf NADPH2 übertragen. NADPH2 ist in seiner chemischen Leistung vergleichbar mit dem NADH2 der Mitochondrien, es kann Wasserstoff aufnehmen und transportieren. Der Wasserstoff wird nun aber genutzt, um Glucose aufzubauen, und weniger, um ATP herzustellen.
In der "Dunkelreaktion" wird das Kohlendioxid der Luft eingefangen, und daraus Glucose aufgebaut. Die Reaktion findet bei jedem Licht statt - sie braucht das Licht nicht. Es handelt sich um eine Reaktion im Kreis herum ("Calvin-Zyklus"): Ein C-Molekül (also CO2) wird von einem bereitstehenden C5-Molekül eingefangen. Dieses C5 ist nach der Anheftung eines weiteren C nicht stabil, sondern zerfällt in zwei C3-Moleküle. Die werden nun aber verrechnet: 6 C3-Moleküle (insgesamt 18 C) bilden 3 C5-Moleküle, die wieder bereitstehen, um C-Moleküle (also CO2) einzufangen. Ein C3-Moleküle wird dabei frei, wartet - und schnappt sich das im nächsten chemischen Durchgang frei werdende C3-Molekül, um mit ihm ein C6-Molekül aufzubauen. Das ist dann Die Glucose. Der Trick der Dunkelreaktion ist, aus anfangs zerbrechlichen Zwischenprodukten nach dem Einfangen des CO2 mit Hilfe des Einbaus von viel Wasserstoff, den NADPH2 anliefert, die stabile Glucose herzustellen.