grundlegende biologische Prinzipien (Basiskonzepte)

Zwischen dem Bau eines Moleküls, Organells, Organs, Organismus und dessen Funktion besteht ein Zusammenhang.

Durch Passgenauigkeit zweier (oder mehrerer) Strukturen wird eine spezifische Wirkung erzielt (z.B. Neurotransmitter/Hormon-Rezeptor, Enzym-Substrat).

(Stoffwechsel-)Leistung kann ohne Zuwachs an Volumen erhöht werden (z.B. Faltung der inneren Mitochondrienmembran, Lungenbläschen).

Lebewesen sind strukturell oder im Verhalten an die Umgebungsbedingungen angepasst (z.B. Verdunstungsschutz bei Pflanzen, Schnabelform bei Vögeln).

Zwei Faktoren wirken in einem Bezugssystem einander entgegengesetzt (z. B. Insulin und Glucagon zur Regulation des Blutzuckerspiegels, Strecker- und Beugemuskel).

Lebende Systeme existieren auf verschiedenen Strukturebenen (u. a. Zelle, Population, Ökosystem) und stehen mit ihrer Umwelt in stetigem Stoff- und Energieaustausch (offene Systeme). Sie haben die Fähigkeit zur Steuerung und Regelung.

Lebende Systeme sind in abgegrenzte Reaktionsräume gegliedert (z. B. Zellorganellen, Gewebe, Organe).

Alle Lebensvorgänge gehen mit Energieumwandlungen einher, energiebedürftige Vorgänge sind mit energieliefernden Vorgängen gekoppelt (z. B. ATP als Energiequelle für aktiven Transport, Aufbau von Membranpotenzialen, Muskelbewegung).

Für die Anpassung an wechselnde Bedingungen ist die Fähigkeit zur Regulation essenziell (z. B. Regulation der Enzymaktivität, der Genaktivität; negative Rückkopplung).

Aufnahme, Verarbeitung, Speicherung und Weitergabe von Informationen ermöglicht Kommunikation innerhalb und zwischen Lebewesen (z. B. Signaltransduktion, Zell-Zell-Kontakte, Sozialverhalten).

Biologische Systeme können sich verändern, sowohl auf Individualebene (z. B. Wachstum) als auch auf der Ebene von Populationen (Evolution).

Lebewesen pflanze sich geschlechtlich und/oder ungeschlechtlich fort und geben ihre Erbinformation an ihre Nachkommen weiter (z. B. Mitose, Meiose).

Merkmalsunterschiede zwischen den Individuen einer Population beruhen auf der Veränderlichkeit der genetischen Informationen (Mutation und Rekombination) und Modifikationen (z. B. Melaninproduktion als Reaktion auf Umwelteinflüsse).

Das Zusammenwirken von Evolutionsfaktoren verändert den Genpool von Populationen (z. B. Artumwandlung durch veränderte Umweltfaktoren).

Eukaryoten (Mensch, Pflanze, Pilz):

• Zellkern mit DNA

• Kompartimentierung (z. B. Mitochondrien, ER)

• 10-30 µm groß

• Cytoskelett vorhanden

• Posttranskriptionelle Modifikation der mRNA

• Ribosomen: 80S

Prokaryoten (Bakterien, Archaeen):

• Kein Zellkern, DNA frei im Cytoplasma

• Keine Kompartimentierung

• 1-2 µm groß

• Sofortige Translation nach Transkription

• Ribosomen: 70S

Pflanzenzelle:

• Zellwand, Chloroplasten, große Vakuole

• Autotroph (Fotosynthese)

• Plasmodesmen (Zellverbindung)

• Größer (Wasseraufnahme in Vakuole)

Tierzelle:

• Keine Zellwand, keine Chloroplasten

• Heterotroph (Energie von außen)

• Lysosomen, stärkeres Cytoskelett

• Kleinere Zellgröße

Zelldifferenzierung:

Veränderung, durch die Entwicklung, einer undifferenzierten Vorläuferzelle zu einer Zelle mit veränderter Form und spezieller Funktion.

Zellveränderungen, die durch Osmose entstehen, abhängig vom Konzentrationsunterschied (innen vs. außen)

hypotonisch:

Umgebung enthält weniger gelöste Stoffe als das Zellinnere → Wasser strömt in die Zelle

hypertonisch:

Umgebung enthält mehr gelöste Stoffe als das Zellinnere → Wasser strömt aus der Zelle

isotonisch:

Konzentration ist innen und außen gleich → kein Netto-Wasserfluss

Plasmolyse:

Wasser strömt aus der Pflanzenzelle (in hypertonischer Umgebung), der Protoplast schrumpft und löst sich von der Zellwand.

Deplasmolyse:

Wasser strömt in die Pflanzenzelle (in hypotonischer Umgebung), der Protoplast dehnt sich aus und legt sich wieder an die Zellwand.

Pflanzenzelle:

• Zellwand, Chloroplasten, große Vakuole

• Autotroph (Fotosynthese)

• Plasmodesmen (Zellverbindung)

• Größer (Wasseraufnahme in Vakuole)

Tierzelle:

• Keine Zellwand, keine Chloroplasten

• Heterotroph (Energie von außen)

• Lysosomen, stärkeres Cytoskelett

• Kleinere Zellgröße

Veränderung, durch die Entwicklung, einer undifferenzierten Vorläuferzelle zu einer Zelle mit veränderter Form und spezieller Funktion.

Zellveränderungen, die durch Osmose entstehen, abhängig vom Konzentrationsunterschied (innen vs. außen)

hypotonisch:

Umgebung enthält weniger gelöste Stoffe als das Zellinnere → Wasser strömt in die Zelle

hypertonisch:

Umgebung enthält mehr gelöste Stoffe als das Zellinnere → Wasser strömt aus der Zelle

isotonisch:

Konzentration ist innen und außen gleich → kein Netto-Wasserfluss

Plasmolyse:

Wasser strömt aus der Pflanzenzelle (in hypertonischer Umgebung), der Protoplast schrumpft und löst sich von der Zellwand.

Deplasmolyse:

Wasser strömt in die Pflanzenzelle (in hypotonischer Umgebung), der Protoplast dehnt sich aus und legt sich wieder an die Zellwand.

abgegrenzte Strukturen innerhalb einer Zelle, die jeweils spezialisierte Aufgaben übernehmen - sie ermöglichen Arbeitsteilung und effiziente Abläufe im Zellinneren.

Dichtes Geflecht aus Cellulosefasern (Polymeren)

→ gibt der Pflanzenzelle Form und Stabilität, schützt vor Druck, lässt Wasser langsam passieren (semipermeabel)

Doppelschicht aus Phospholipiden mit eingelagerten Proteinen

→ begrenzt die Zelle nach außen, ist selektiv durchlässig und reguliert den Stoffaustausch sowie die Kommunikation mit der Umgebung.

Gesamter Zellinhalt außer Zellkern, besteht aus Cytosol (flüssige Grundsubstanz) + Organellen

→ Ort für viele Stoffwechselreaktionen und Verteilung von Stoffen in der Zelle.

Netzwerk aus Proteinfilamenten, die im Cytoplasma verankert sind

→ verleiht Form und Stabilität, ermöglicht Zellbewegung, Zellkontraktion (Filamente ziehen sich zusammen - Verkürzung / Entspannung - Verlängerung), dient als Schienensystem für Vesikel- und Organelltransport.

Großes, mit Zellsaft gefülltes Bläschen von einer Membran (Tonoplast) umgeben

→ Speichert Wasser, Nährstoffe und Abfallstoffe, sorgt durch Zellinnendruck (Turgor) für Stabilität der Pflanzenzelle und wirkt bei Wachstum mit.

Membranumhüllte Struktur mit doppelter Kernhülle und Kernporen, enthält Chromatin (DNA)

→ Steuert Zellaktivitäten, speichert genetische Information, ist Zentrum der Zellteilung (Durchführung der Mitose) und der RNA-Synthese.

Kernkörperchen innerhalb des Zellkerns, ohne Membran, besteht hauptsächlich aus RNA und Proteinen

→ Synthetisiert ribosomale RNA (rRNA) und stellt Ribosomenuntereinheiten zusammen, die dann ins Zytoplasma transportiert werden.

Doppelt membranumgebenes Organell mit eigener DNA und gefalteter Innenmembran (Cristae)

→ Ort der Zellatmung, wandelt Nährstoffe in ATP um → liefert Energie für alle Zellprozesse (→ „Kraftwerk der Zelle“).

Doppelt membranumgebenes Organell mit eigener DNA und grünem Farbstoff Chlorophyll, enthält Thylakoide (innere Membranstapel)

→ Ort der Fotosynthese: wandelt Lichtenergie in chemische Energie (Glucose) um → versorgt Pflanze mit Energie und Sauerstoff.

System aus abgeflachten Membranstapeln (Dictyosomen) mit kleinen Vesikeln

→ Sortiert, verändert und verpackt Proteine und Lipide, die vom ER kommen - bildet Sekret- und Transportvesikel, z. B. für Membranbildung oder Export aus der Zelle.

Kleine, membranumschlossene Bläschen, die Stoffe transportieren oder speichern

→ Dienen dem Stofftransport, z. B. zwischen Zellorganellen oder aus der Zelle heraus (Exozytose), oder zum Einschleusen von Stoffen (Endozytose)

Peroxisomen (P, T):

→ Entgiften Zellbestandteile, bauen Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ab und spielen eine Rolle im Fettsäureabbau

Lysosomen (T):

→ Vesikel mit Verdauungsenzymen, die Zellabfall und Fremdstoffe abbauen

Raues ER:

Mit Ribosomen besetzt, in Membranstapeln organisiert

→ Synthese & Transport von Proteinen, v. a. für Export oder Membran.

Glattes ER:

Ohne Ribosomen, verzweigtes Membransystem

→ Synthese von Lipiden, Entgiftung & Calciumspeicher (z. B. in Muskelzellen).

Kleine, ribosomale RNA-Protein-Komplexe, frei im Cytoplasma oder am rauen ER

→ Ort der Proteinbiosynthese: setzen aus Aminosäuren nach mRNA-Bauplan Proteine zusammen.

1: Aufnahme eines Prokaryoten durch einen Einzeller (Wirtszelle) - Endozytose

2: Entwicklung einer Endosymbiose - Endosymbiont liefert Energie, Wirtszelle bietet Schutz (gegenseitiger Nutzen)

beide Organismen profitieren

3: Integration des Prokaryoten zu einem festen Bestandteil der Zelle (Zellorganellen)

4: Entstehung der Eukaryoten - Chloroplasten & Mitochondrien als direkte Nachfahren

• Doppelte Membran: äußere von Wirtszelle, innere vom ursprünglichen Prokaryoten

• Zellteilung: Mitochondrien & Chloroplasten teilen sich unabhängig von der Zelle

• Ribosomen: wie bei Prokaryoten - eigene Proteinbiosynthese

• Genomsequenzierung: zeigt große Ähnlichkeit zu Bakteriengenen

→ ist das wichtigste Lösungsmittel im Körper, ermöglicht Transport, Reaktionen und Temperaturregulation, seine Polarität sorgt für Wasserstoffbrücken.

• Monosaccharide: Einfachzucker wie Glucose, Fructose, Galactose

• Disaccharide: Zwei Monosaccharide mit glykosidische Bindung (Wasserabspaltung), z. B. Saccharose, Maltose, Lactose

• Polysaccharide: Lange Ketten aus vielen Monosacchariden, z. B. Stärke, Glykogen, Cellulose

→ Energiequelle, -speicher & Strukturstoff (z. B. Zellwand).

• Fette (Triglyceride): aus einem Glycerin-Molekül und drei Fettsäuren

→ Energie speichern, Zellen schützen, Körper isolieren, Zellmembranen aufbauen

• Gesättigte Fettsäuren: keine Doppelbindungen, daher gerade & dicht gepackt → fest bei Raumtemperatur (z. B. Butter)

• Ungesättigte Fettsäuren: enthalten Doppelbindungen, Molekül ist geknickt → flüssig bei Raumtemperatur (z. B. Pflanzenöl).

• mit nur 2 Fettsäuren und einer Phosphatgruppe - ein Teil ist fettliebend (hydrophob), der andere wasserliebend (hydrophil)

→ Sie bilden Membranen, indem sie sich zu Doppelschichten anordnen.

→ Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaute Makromoleküle, die zentrale Aufgaben im Körper erfüllen (z. B. als Enzyme, Strukturbausteine, Transport- oder Signalstoffe).