Themenpool 1 - Cytologie.pdf

# Kennzeichen des Lebens und Zelltypen Dieser Themenbereich befasst sich mit den grundlegenden Merkmalen, die Lebewesen definieren, sowie mit der Unterscheidung und den Eigenschaften von prokaryotischen (Bakterien) und eukaryotischen Zellen. ### 1.1 Kennzeichen des Lebens Lebewesen sind durch eine Reihe von charakteristischen Merkmalen definiert, die sie von unbelebter Materie unterscheiden. Um als lebendig zu gelten, müssen diese Merkmale in ihrer Gesamtheit gleichzeitig erfüllt sein [4](#page=4) [5](#page=5). #### 1.1.1 Merkmale lebender Organismen * **Fortpflanzung:** Lebewesen können sich selbst vermehren und dabei genetische Eigenschaften an ihre Nachkommen weitergeben [4](#page=4). * **Stoffwechsel und Energiewechsel:** Ein Austausch von Stoffen und Energie mit der Umgebung ist essenziell für Funktionen wie Atmung und Ernährung [4](#page=4). * **Wachstum und Entwicklung:** Lebewesen sind in der Lage, an Masse und Größe zuzunehmen und dabei ihre Form und ihr Aussehen zu verändern [4](#page=4). * **Bewegung:** Alle Lebewesen können sich grundsätzlich bewegen, auch wenn dies sehr langsam geschehen kann, wie bei Pflanzen [4](#page=4). * **Reizbarkeit:** Lebewesen können Informationen aus ihrer Umwelt oder ihrem Inneren aufnehmen und darauf reagieren [4](#page=4). * **Zellen:** Lebewesen bestehen immer aus Zellen, der kleinsten selbstständigen Einheit eines Organismus [4](#page=4). * **Evolution:** Die Weiterentwicklung und Anpassung an die Umgebung wird ebenfalls als Merkmal des Lebens betrachtet [4](#page=4). > **Tip:** Die Unterscheidung, ob etwas als "lebendig" eingestuft wird, erfordert die gleichzeitige Erfüllung aller genannten Kennzeichen. #### 1.1.2 Viren im Kontext der Lebensmerkmale Viren erfüllen nicht alle Kriterien, die für Lebewesen gelten [7](#page=7). * **Fortpflanzung:** Viren können sich nicht selbstständig vermehren; sie benötigen dafür eine Wirtszelle [7](#page=7). * **Stoffwechsel und Energiewechsel:** Viren besitzen keinen eigenen Stoffwechsel [7](#page=7). * **Wachstum und Entwicklung:** Viren können nicht wachsen [7](#page=7). * **Bewegung:** Viren können sich nicht selbstständig bewegen [7](#page=7). * **Reizbarkeit:** Viren sind nicht reizbar [7](#page=7). * **Zellen:** Viren sind keine Zellen [7](#page=7). * **Evolution:** Viren unterliegen durch Mutationen bei der Replikation in Wirtszellen einer passiven Evolution und Anpassung [7](#page=7). #### 1.1.3 Augentierchen im Kontext der Lebensmerkmale Augentierchen (Beispiel für eine eukaryotische Zelle) erfüllen alle Kennzeichen des Lebens [8](#page=8). * **Fortpflanzung:** Augentierchen können sich selbstständig vermehren [8](#page=8). * **Stoffwechsel und Energiewechsel:** Sie besitzen einen eigenen Stoffwechsel [8](#page=8). * **Wachstum und Entwicklung:** Augentierchen können wachsen [8](#page=8). * **Bewegung:** Sie können sich selbstständig bewegen [8](#page=8). * **Reizbarkeit:** Augentierchen sind reizbar [8](#page=8). * **Zellen:** Sie sind aus Zellen aufgebaut [8](#page=8). * **Evolution:** Augentierchen weisen Evolution und Anpassung auf [8](#page=8). ### 1.2 Zelltypen: Prokaryoten und Eukaryoten Die Zelle ist die kleinste selbstständige Einheit jedes Lebewesens. Die Zytologie, die Lehre von den Zellen, formuliert dabei grundlegende Aussagen [4](#page=4) [6](#page=6): * Alle Lebewesen bestehen aus Zellen oder deren Produkten [6](#page=6). * Zellen zeigen grundlegende Übereinstimmungen im Aufbau [6](#page=6). * Die Funktionen von Lebewesen basieren auf den Leistungen ihrer Zellen und deren Zusammenspiel [6](#page=6). * Neue Zellen entstehen ausschließlich aus bereits existierenden Zellen [6](#page=6). Zellen werden primär in zwei Haupttypen unterteilt: Prokaryoten und Eukaryoten. #### 1.2.1 Prokaryotische Zellen (Bakterienzellen) Bakterienzellen werden auch als Protozyten bezeichnet und stellen die Zellen der Prokaryoten dar [10](#page=10). * **Kein Zellkern:** Das charakteristischste Merkmal prokaryotischer Zellen ist das Fehlen eines echten Zellkerns [10](#page=10) [11](#page=11). * **DNA-Lokalisation:** Die ringförmige chromosomale DNA liegt frei im Cytoplasma vor [11](#page=11). * **Einzeller:** Bakterien existieren ausschließlich als Einzeller und bilden keine Gewebe, höchstens Kolonien [11](#page=11). * **Größe:** Bakterienzellen sind signifikant kleiner als eukaryotische Zellen, etwa 100- bis 1000-mal kleiner. Ihre Größe liegt typischerweise im Bereich von 1 bis 2 Mikrometern (µm) [11](#page=11) [18](#page=18). > **Beispiel:** Bakterienzellen sind die einfachsten Zellformen und typisch für Bakterien und Archaeen. #### 1.2.2 Eukaryotische Zellen (Euzyten) Eukaryoten sind Lebewesen (wie Pilze, Tiere und Pflanzen), deren Zellen einen Zellkern besitzen. Die Zellen von Eukaryoten werden auch als Euzyten oder Eucyten bezeichnet [19](#page=19). * **Vorhandensein eines Zellkerns:** Eukaryotische Zellen besitzen einen echten Zellkern, der ihr genetisches Material umschließt [19](#page=19). * **Größe:** Eucyten sind mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 10 bis 30 µm deutlich größer als Procyten. Bestimmte Eukaryoten, wie beispielsweise Eizellen, können eine Größe von bis zu 100 µm erreichen [18](#page=18) [19](#page=19). * **Weitere Unterschiede zu Prokaryoten:** Wesentliche Unterschiede zu prokaryotischen Zellen umfassen den Aufbau und die Organisation der DNA, die Struktur der Ribosomen, das Vorhandensein von Zellorganellen und die Zellwand [19](#page=19). > **Tip:** Der Hauptunterschied zwischen Prokaryoten und Eukaryoten liegt in der Komplexität der Zellstruktur, insbesondere im Vorhandensein eines membranumschlossenen Zellkerns und verschiedener Organellen bei Eukaryoten. > **Beispiel:** Tierische Zellen (wie die einer tierischen Zelle ) und pflanzliche Zellen sind Beispiele für eukaryotische Zellen [17](#page=17). --- # Zellorganellen und ihre Funktionen Die Zellorganellen sind spezialisierte, von Membranen umschlossene Kompartimente innerhalb eukaryotischer Zellen, die spezifische Funktionen ausführen und zur Organisation und Effizienz der Zelle beitragen [20](#page=20). ### 2.1 Zellkompartimentierung Unter Zellkompartimentierung versteht man die Gliederung der Zelle in verschiedene Reaktionsräume, die Organellen. Diese Organellen sind strukturell voneinander getrennt und besitzen spezifische Enzymausstattungen, die ihnen spezialisierte Funktionen verleihen. Eukaryotische Zellen (Eucyten) weisen eine sehr starke Kompartimentierung auf, bei der Organellen durch eigene Membranen vom Zytoplasma abgetrennt sind [20](#page=20). ### 2.2 Zellorganellen tierischer Zellen Tierzellen sind eukaryotische Zellen, die eine Vielzahl von Organellen aufweisen, die auch in Pflanzenzellen vorkommen [21](#page=21). #### 2.2.1 Zellkern (Nukleus) Der Zellkern dient als genetisches Steuerzentrum der Zelle und beherbergt das Erbgut in Form von Chromosomen, die hauptsächlich aus Desoxyribonukleinsäure (DNA) bestehen. Im Zellkern finden wichtige Prozesse wie DNA-Replikation und Transkription statt. Er ist von einer Doppelmembran, der Kernhülle, umgeben, die durch ER gebildet wird und Poren für den Durchtritt von Makromolekülen aufweist. Im Inneren des Kerns befinden sich neben den Chromosomen das Kernplasma und die Kernkörperchen (Nucleoli), die an der Transkription von ribosomaler RNA (rRNA) beteiligt sind [23](#page=23). #### 2.2.2 Zentrosom Das Zentrosom, das sich in der Nähe des Zellkerns befindet, besteht aus zwei Zentriolen. Während der Mitose und Meiose bilden die Zentriolen die Spindelapparate aus, die für die Trennung der Chromosomen verantwortlich sind [24](#page=24). #### 2.2.3 Endoplasmatisches Retikulum (ER) Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein unregelmäßiges, kommunizierendes System von Hohlräumen und Kanälen, das vom Zytoplasma durchzogen ist und von Biomembranen begrenzt wird. Es bildet auch die Kernmembran. Man unterscheidet zwischen rauem (granulärem) ER, das mit Ribosomen besetzt ist, und glattem (agranulärem) ER, das keine Ribosomen trägt [25](#page=25). * **Aufgaben des glatten ER:** Synthese verschiedener Lipide (Phospholipide, Fettsäuren, Steroide), Kohlenhydratstoffwechsel, Entgiftung der Zelle und Speicherung von Calcium-Ionen [25](#page=25) [26](#page=26). * **Aufgaben des rauen ER:** Proteinbiosynthese und Membranproduktion [25](#page=25). #### 2.2.4 Ribosom Ribosomen sind die Orte der Proteinsynthese, wo die Translation, also die Übersetzung des genetischen Codes in Aminosäureketten, stattfindet. Sie bestehen hauptsächlich aus RNA und Proteinen und können sich im Zytoplasma, am rauen ER oder in Mitochondrien befinden. Die Anzahl der Ribosomen pro Zelle kann sehr hoch sein, bis zu mehreren Millionen in hoch entwickelten Eukaryoten. Ribosomen sind kugelförmige Körnchen von etwa 10 bis 30 nm Größe und bestehen aus zwei Untereinheiten. 80S-Ribosomen finden sich im Zytoplasma und am ER von Eukaryoten, während 70S-Ribosomen in Mitochondrien, Plastiden und Prokaryoten vorkommen. Wenn Ribosomen im Zytoplasma perlschnurartig angeordnet sind, werden sie als Polysomen bezeichnet [27](#page=27) [28](#page=28) [29](#page=29). #### 2.2.5 Golgi-Apparat Der Golgi-Apparat, benannt nach Camillo Golgi, besteht aus einem zisternenartigen System flacher, membranumhüllter Hohlräume (Dictyosomen). Er bildet einen membranumschlossenen Reaktionsraum und fungiert als Transportsystem. Im Golgi-Apparat wird die Proteinbiosynthese durch das Anfügen weiterer Proteine an die von Ribosomen synthetisierten Aminosäureketten gefördert. Er ist auch an der Sekretbildung und weiteren Aufgaben des Zellstoffwechsels beteiligt [30](#page=30) [31](#page=31). #### 2.2.6 Mitochondrien Mitochondrien sind die "Kraftwerke der Zelle" und liefern Energie durch die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP). Sie sind von einer Doppelmembran umgeben, wobei die innere Membran durch Einstülpungen (Cristae und Tubuli) stark vergrößert ist, was die Effizienz von Reaktionen erhöht. Mitochondrien besitzen eine eigene ringförmige DNA (mtDNA) und 70S-Ribosomen, was ihnen eine eigene Proteinsynthese ermöglicht. In ihnen laufen elementare Prozesse wie der Citratzyklus und die Atmungskette ab, die für die Energiegewinnung essenziell sind. Der Anteil von Mitochondrien ist in Zellen mit hohem Energieverbrauch (z.B. Muskelzellen) höher [32](#page=32) [33](#page=33) [34](#page=34). #### 2.2.7 Zellmembran Die Zellmembran ist eine semipermeable Barriere, die den Ein- und Ausstrom von Teilchen reguliert und so als selektive Schleuse fungiert. Sie dient der Abgrenzung von Räumen, ist Ort für Enzymtätigkeit, schützt vor Umwelteinflüssen und ermöglicht Stofftransport. Sie besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht mit hydrophilen Köpfen nach außen und hydrophoben Schwänzen nach innen. Proteine, Glykoproteine und Glykolipide sind weitere Bestandteile, wobei Transportproteine eine entscheidende Rolle beim aktiven und passiven Stofftransport spielen. Laut dem Flüssig-Mosaik-Modell (Singer und Nicolson, 1972) sind Biomembranen zweidimensionale flüssige Doppelschichten, in denen sich Phospholipide und eingelagerte Proteine seitlich frei bewegen können [35](#page=35) [36](#page=36) [38](#page=38) [39](#page=39) [40](#page=40). #### 2.2.8 Zytoplasma Das Zytoplasma umfasst die gesamte Zellmasse außerhalb des Zellkerns und besteht aus dem Zytosol (der flüssigen Grundsubstanz), dem Zytoskelett (proteinstützende Strukturen) und den Zellorganellen. Wasser ist mit etwa vier Fünfteln der Hauptbestandteil des Zytoplasmas [41](#page=41). #### 2.2.9 Vesikel Vesikel sind kleine, membranumhüllte Bläschen, die sich im Zytoplasma bewegen können. Ihre Hauptfunktion ist der Stofftransport; endozytotische Vesikel nehmen Stoffe auf, exozytotische Vesikel geben Stoffe ab [44](#page=44). * **Lysosomen:** Kleine Vesikel, die Zellabfälle durch Verdauungsenzyme abbauen und vom Golgi-Apparat produziert werden [45](#page=45). * **Peroxisomen:** Ähnlich wie Transportvesikel, dienen sie der Entgiftung, indem sie Wasserstoffperoxid zu Wasser reduzieren [45](#page=45). * **Sekretvesikel (Golgi-Vesikel):** Verschmelzen mit der Zellmembran (Exozytose) und geben ihren Inhalt nach außen ab, z.B. Abfall- oder Giftstoffe [45](#page=45). #### 2.2.10 Vakuolen (bei Tieren eher selten) Obwohl primär in Pflanzenzellen prominent, können auch tierische Zellen kleine Vakuolen besitzen, die in ihrer Funktion den Lysosomen ähneln und der Verdauung von organischem Material dienen [46](#page=46). ### 2.3 Zellorganellen pflanzlicher Zellen Pflanzenzellen sind ebenfalls eukaryotisch und teilen viele Organellen mit tierischen Zellen, besitzen aber auch spezifische Strukturen wie die Zellwand und Chloroplasten [53](#page=53). #### 2.3.1 Zellwand Die Zellwand umgibt die Pflanzenzelle vollständig und verleiht ihr eine feste Form sowie Stabilität. Sie steuert den Turgordruck durch Wasseraufnahme und -abgabe, schützt das Cytoplasma und verhindert das Austrocknen oder Platzen der Zelle. Pflanzliche Zellwände bestehen hauptsächlich aus Zellulosefibrillen in einer Matrix aus Pektinen, Hemizellulosen und Proteinen. Lignin dient als zusätzliches Stützmaterial, das die Verhärtung bewirkt. Der Turgordruck der Zellsaftvakuole in Verbindung mit der steifen Zellwand sorgt für die Festigkeit der Pflanze [55](#page=55) [56](#page=56). #### 2.3.2 Zellsaftvakuole Die Zellsaftvakuole ist ein großes, membranumschlossenes Organell (begrenzt durch den Tonoplast), gefüllt mit Zellsaft. Sie nimmt oft einen Großteil des Zellvolumens ein. Ihre Hauptfunktion ist die Erzeugung des Turgordrucks durch Wasseraufnahme mittels Osmose. Sie dient auch der Speicherung von Stoffen (z.B. giftige oder störende Substanzen, Bitterstoffe zum Schutz vor Fraß), Einlagerung von Farbstoffen (Anthocyane) und spielt eine Rolle bei Wachstums- und Bewegungsvorgängen. Ein geringer Zuckergehalt führt zur Wasserabgabe und Plasmolyse [57](#page=57) [58](#page=58). #### 2.3.3 Plastiden (insbesondere Chloroplasten) Plastiden sind Zellorganellen, die wahrscheinlich durch Endosymbiose entstanden sind und über ein eigenes Genom und eigene Ribosomen verfügen. Die wichtigsten Arten sind Chloroplasten, Leukoplasten und Chromoplasten [63](#page=63). * **Chloroplasten:** Zuständig für die Photosynthese, bei der Lichtenergie in Zucker umgewandelt wird. Sie sind von einer Doppelmembran umgeben und enthalten das Stroma sowie Thylakoide, die in Grana (Thylakoidstapel) angeordnet sind. In den Thylakoidmembranen sind Chlorophylle und Carotinoide eingelagert, die photosynthetisch aktiven Pigmente. Bei längerer Belichtung kann sich Assimilationsstärke bilden [64](#page=64) [65](#page=65) [66](#page=66). * **Chromoplasten:** Gehören zu den Plastiden und enthalten Carotinoide, die Pflanzenteilen gelbe, orange oder rote Farben verleihen [64](#page=64). * **Leukoplasten:** Sind farblos und betreiben keine Photosynthese; sie dienen der Speicherung von Öl, Proteinen und Stärke (Amyloplasten). Sie können sich unter Lichteinfluss in Chloroplasten oder Chromoplasten umwandeln [64](#page=64). --- # Zelltransportmechanismen und Zellteilung Dieser Abschnitt behandelt die Prozesse des Stofftransports über die Zellmembran (Endozytose, Exozytose) und die komplexe Abfolge der Mitose, der Zellkern- und Zellteilung. ### 3.1 Zelltransportmechanismen Zelltransportmechanismen ermöglichen den Austausch von Stoffen zwischen der Zelle und ihrer Umgebung sowie den Transport von Substanzen innerhalb der Zelle. Zwei wesentliche Mechanismen hierfür sind die Endozytose und die Exozytose, welche beide die Bildung von Vesikeln involvieren [47](#page=47). #### 3.1.1 Endozytose Endozytose ist der Prozess, bei dem Substanzen von außen in die Zelle aufgenommen werden. Dabei stülpt sich die Zellmembran nach innen ein und schnürt schließlich membranumhüllte Vesikel ab, welche die aufgenommenen Stoffe in das Zellinnere transportieren [47](#page=47) [50](#page=50). > **Tip:** Endozytose ist entscheidend für die Aufnahme von Nährstoffen, aber auch für die Phagozytose von Krankheitserregern oder abgestorbenen Zellen. #### 3.1.2 Exozytose Exozytose ist der umgekehrte Prozess, bei dem Stoffe aus der Zelle herausgeschleust werden. Vesikel, die sich im Zytoplasma befinden und die zu transportierenden Stoffe enthalten, verschmelzen mit der Zellmembran. Nach dieser Fusion werden die Inhaltsstoffe nach außen abgegeben. Exozytose spielt auch eine Rolle beim Transport von neu synthetisierten Membranproteinen zur Zelloberfläche, wo sie in die Zellmembran integriert werden. Diese Vesikel können durch Calciumionen ($Ca^{++}$) gesteuert werden [47](#page=47) [48](#page=48). > **Beispiel:** Die Ausschleusung von Neurotransmittern an Synapsen oder die Sekretion von Hormonen und Verdauungsenzymen erfolgen über Exozytose. ### 3.2 Zellteilung (Mitose) Die Mitose ist ein fundamentaler Prozess der Zellteilung, der für das Wachstum, die Reparatur von Gewebe und die asexuelle Fortpflanzung von Organismen verantwortlich ist. Bei der Mitose wird der Zellkern einer Mutterzelle in zwei genetisch identische Tochterkerne geteilt, denen anschließend Zellplasma und Zellorganellen folgen, um zwei neue, genetisch identische Tochterzellen zu bilden. Der gesamte Prozess, der von einer Interphase gefolgt wird, wird als Zellzyklus bezeichnet [76](#page=76) [81](#page=81) [90](#page=90). #### 3.2.1 Chromosomen und Chromatiden Chromosomen sind die Träger der genetischen Information eines Organismus und befinden sich im Zellkern. Sie bestehen hauptsächlich aus DNA, die eng mit Proteinen verpackt ist, um in den Zellkern zu passen [70](#page=70) [71](#page=71). * **Chromatid:** Ein Chromatid ist ein einzelner DNA-Strang eines Chromosoms. Vor der DNA-Replikation und nach der Teilung der Schwesterchromatiden besteht ein Chromosom aus einem einzigen Chromatid [70](#page=70). * **Zwei-Chromatid-Chromosom:** Nach der Verdopplung der DNA in der S-Phase der Interphase besteht ein Chromosom aus zwei identischen Kopien, den sogenannten Schwesterchromatiden. Diese sind am Zentromer miteinander verbunden und bilden die charakteristische x-förmige Struktur, die im Mikroskop sichtbar ist [70](#page=70) [71](#page=71) [72](#page=72) [73](#page=73). * **Zentromer:** Die Stelle, an der die beiden Schwesterchromatiden eines Chromosoms miteinander verbunden sind. Es dient auch als Anheftungsstelle für die Spindelfasern während der Mitose [70](#page=70) [72](#page=72) [82](#page=82). > **Tip:** Die Verdichtung (Kondensation) der DNA zu Chromosomen während der Mitose ist notwendig, um eine geordnete Verteilung der genetischen Information zu gewährleisten und die DNA vor Beschädigung zu schützen. #### 3.2.2 Der Zellzyklus und seine Phasen Der Zellzyklus gliedert sich in die Interphase (Vorbereitungsphase) und die Mitose (Teilungsphase) [77](#page=77). ##### 3.2.2.1 Interphase Die Interphase ist die längste Phase des Zellzyklus, in der die Zelle wächst und sich auf die Teilung vorbereitet. Sie unterteilt sich in drei Hauptphasen [90](#page=90) [91](#page=91): * **G1-Phase (Gap 1):** Nach der Zellteilung dekondensieren die Chromosomen, und die Stoffwechselaktivität der Zelle nimmt zu. Die Zelle wächst und vermehrt Zellorganellen und Zytoplasma. Zu Beginn dieser Phase bestehen die Chromosomen aus einem Chromatid [90](#page=90) [91](#page=91). * **S-Phase (Synthese):** In dieser Phase erfolgt die Verdopplung der DNA (Replikation). Dadurch entstehen aus Ein-Chromatid-Chromosomen Zwei-Chromatid-Chromosomen [73](#page=73) [90](#page=90) [91](#page=91). * **G2-Phase (Gap 2):** Nach der S-Phase vergehen einige Stunden, in denen die Zelle sich auf die Mitose vorbereitet, bevor sie in die Teilungsphase eintritt [90](#page=90) [91](#page=91). > **Tip:** Die Interphase ist keine Ruhephase, sondern eine hochaktive Phase, in der die Zelle wächst, Stoffe produziert und ihre genetische Information verdoppelt. ##### 3.2.2.2 Mitose (Kernteilung) Die Mitose ist der Prozess der Kernteilung und gliedert sich in vier Hauptphasen: 1. **Prophase:** * Die Chromosomen kondensieren und werden unter dem Mikroskop sichtbar [79](#page=79) [83](#page=83) [87](#page=87) [89](#page=89). * Die Kernhülle und das Kernkörperchen bauen sich ab [79](#page=79) [82](#page=82) [83](#page=83). * Zwischen den Zellpolen bildet sich der Spindelapparat aus Mikrotubuli, der für die spätere Trennung der Chromosomen verantwortlich ist. Bei Tieren organisieren die Centriolen den Aufbau der Kernspindel [78](#page=78) [82](#page=82). 2. **Metaphase:** * Die kondensierten Chromosomen werden in der Mitte der Zelle, auf der sogenannten Äquatorialplatte (oder Metaphaseplatte), angeordnet [78](#page=78) [84](#page=84) [85](#page=85). * Die Spindelfasern heften sich von beiden Seiten an die Zentromere der Chromosomen. Die Chromosomen sind nun so ausgerichtet, dass die Trennung der Schwesterchromatiden erfolgen kann [84](#page=84). 3. **Anaphase:** * Die Zentromere der Zwei-Chromatid-Chromosomen teilen sich [86](#page=86). * Die nun getrennten Schwesterchromatiden (jetzt Tochterchromosomen genannt) werden durch Verkürzung der Spindelfasern zu den gegenüberliegenden Polen der Zelle gezogen [78](#page=78) [86](#page=86) [87](#page=87). * Jeder Pol erhält somit einen vollständigen und identischen Satz an Tochterchromosomen [86](#page=86). 4. **Telophase:** * Die Tochterchromosomen erreichen die Zellpole und dekondensieren wieder zu langen, dünnen Fäden (Chromatin) [88](#page=88) [89](#page=89). * Die Spindelfäden bilden sich zurück [88](#page=88). * Neue Kernhüllen und Kernkörperchen bilden sich um die Chromosomensätze an jedem Pol, wodurch zwei neue Tochterkerne entstehen [88](#page=88). * Nach der Kernteilung folgt die Zellteilung (Zytokinese), bei der sich die Zelle in der Mitte teilt oder neue Membranen ausbildet, um zwei separate Tochterzellen zu formen [88](#page=88). * Die Tochterzellen sind genetisch identisch mit der Mutterzelle und weisen den gleichen Ploidiegrad auf [88](#page=88). > **Tip:** Die Mitose gewährleistet die exakte und gleichmäßige Verteilung des genetischen Materials auf die Tochterzellen, wodurch die genetische Identität über Generationen hinweg erhalten bleibt. Die Dauer einer Kernteilung variiert typischerweise zwischen einer halben Stunde und zwei Stunden [88](#page=88). #### 3.2.3 Ploidiegrad Der Ploidiegrad beschreibt die Anzahl der vollständigen Chromosomensätze in einer Zelle [80](#page=80). * **Diploid (2n):** Körperzellen von Lebewesen besitzen in der Regel zwei vollständige Chromosomensätze, einen vom Vater und einen von der Mutter. Beim Menschen besteht ein einfacher Chromosomensatz aus 23 Chromosomen; eine diploide Körperzelle enthält demnach 2 x 23 = 46 Chromosomen [80](#page=80). * **Haploid (n):** Keimzellen (Gameten) enthalten nur einen einfachen Chromosomensatz. Eine menschliche Keimzelle enthält 23 Chromosomen [80](#page=80). > **Beispiel:** Bei der Mitose einer diploiden (2n) Mutterzelle entstehen zwei diploide (2n) Tochterzellen, die genetisch identisch sind [81](#page=81). > **Tip:** Die Mitose ist entscheidend für die Erhaltung des diploiden Chromosomensatzes in den Körperzellen während des gesamten Lebens eines Organismus. --- # Pflanzenspezifische Zellstrukturen und Prozesse Dieses Thema behandelt die einzigartigen zellulären Merkmale von Pflanzen, insbesondere die Zellwand und die Zellsaftvakuole, sowie den lebenswichtigen Prozess der Photosynthese. ### 4.1 Zellwand Die Zellwand ist eine charakteristische Struktur, die die Pflanzenzelle vollständig umgibt und tierischen Zellen fehlt. Ihre primären Funktionen umfassen den Schutz des Cytoplasmas und die Gewährleistung einer definierten Zellform. Sie verleiht der Zelle Stabilität und reguliert den Zelldruck (Turgor) durch Wasseraufnahme und -abgabe, was das Austrocknen oder Platzen der Zelle verhindert. Die Zellwand ist für Pflanzenzellen unerlässlich, da sie den durch den Turgordruck entstehenden Zellinnendruck abfängt, der sonst zum Platzen der Zelle führen würde [55](#page=55). Pflanzliche Zellwände bestehen aus Zellulosefibrillen, die in eine Matrix aus Pektinen, Hemizellulosen, Proteinen und teilweise Lignin eingebettet sind. Lignin dient als stützendes Material und ist für die Verholzung und Verhärtung von Geweben, wie beispielsweise Holz, verantwortlich. Zellulose bildet das Grundgerüst von Holz und ist chemisch ein Polysaccharid [55](#page=55). Der Turgordruck, der von der Zellsaftvakuole ausgeht, wirkt in Kombination mit der starren Zellwand, um die Festigkeit der Pflanzenzelle und der gesamten Pflanze zu gewährleisten. Dieses Zusammenspiel kann mit dem eines luftgefüllten Reifens verglichen werden, bei dem der Luftdruck und die Reifenhülle für Stabilität sorgen [56](#page=56). > **Tip:** Die Zellwand ist eine entscheidende Komponente, die Pflanzen ihre strukturelle Integrität verleiht und sie von anderen eukaryotischen Zellen unterscheidet. ### 4.2 Zellsaftvakuole Die Zellsaftvakuole ist eine Zellorganelle, die von einer einfachen Biomembran, dem Tonoplast, umgeben und mit Zellsaft gefüllt ist. Zellsaft besteht hauptsächlich aus Wasser, gelösten Stoffen und Proteinen [57](#page=57). #### 4.2.1 Funktion und Turgor Die Hauptfunktion der Vakuole in Pflanzenzellen ist die Erzeugung des Turgordrucks. Durch die Erhöhung der Zuckerkonzentration in der Vakuole fließt Wasser osmotisch aus der Umgebung in die Vakuole, bis der Zelldruck ein weiteres Füllen verhindert oder der Konzentrationsgradient ausgeglichen ist. Dieser Prozess des gerichteten Wasserflusses durch eine semipermeable Membran wird als Osmose bezeichnet. Der resultierende Druck ermöglicht es nicht verholzenden Pflanzen, aufrecht zu stehen. Wenn der Zuckergehalt in der Vakuole niedriger ist als im umgebenden Bereich, gibt die Vakuole Wasser ab, was zu einem Erschlaffen des Turgors führt. Ein weiterer Wasserverlust kann zur Plasmolyse führen, bei der sich die Zellmembran von der Zellwand löst [57](#page=57) [58](#page=58). > **Tip:** Der Turgordruck ist essenziell für die mechanische Stabilität von Pflanzen und spielt eine Rolle bei Zellwachstum und -bewegung. #### 4.2.2 Weitere Funktionen der Vakuole Bei ausgereiften Pflanzenzellen nimmt die Zellsaftvakuole oft den größten Teil des Zellvolumens ein. Neben der Turgorerzeugung kann die Vakuole weitere wichtige Funktionen erfüllen [58](#page=58): * Speicherung von Stoffen, die giftig sein oder den Stoffwechsel stören könnten [58](#page=58). * Lagerung von Gift- oder Bitterstoffen zum Schutz vor Fraßfeinden oder Pilzbefall [58](#page=58). * Einlagerung von Farbstoffen (z. B. Anthocyane für blau-violette bis rote Färbung) zur Farbgebung von Pflanzenteilen [58](#page=58). * Beteiligung an Wachstums- und Bewegungsvorgängen durch osmotische Prozesse [58](#page=58). ### 4.3 Osmose Osmose beschreibt den gerichteten Fluss von Teilchen, insbesondere von Wasser, durch eine selektiv- oder semipermeable Membran. Diese Membran ist für gelöste Stoffe wie Ionen und Zucker undurchlässig, erlaubt aber den Durchtritt von Wasser als Lösungsmittel. Die treibende Kraft für diese Bewegung ist der Konzentrationsunterschied der gelösten Stoffe. Der daraus resultierende Zustrom von Wasser vergrößert, bei konstantem Volumen, den Druck auf einer Seite der Membran, was als osmotischer Druck bezeichnet wird [59](#page=59). Osmose ist von zentraler Bedeutung für die Regulation des Wasserhaushalts von Lebewesen und spielt eine grundlegende Rolle beim Aufbau des Turgordrucks in Pflanzenzellen [59](#page=59). > **Example:** Wenn eine Pflanzenzelle in reinem Wasser steht (niedrige Konzentration gelöster Stoffe außen), strömt Wasser in die Zelle und erzeugt Turgor. Steht sie jedoch in konzentrierter Salzlösung (hohe Konzentration gelöster Stoffe außen), verlässt Wasser die Zelle, was zur Plasmolyse führen kann. ### 4.4 Plastiden und Chloroplasten Plastiden sind Zellorganellen, die spezifisch für Pflanzen sind und vermutlich durch Endosymbiose entstanden sind, ähnlich wie Mitochondrien. Sie besitzen ein eigenes ringförmiges Genom und eigene Ribosomen. Es gibt verschiedene Arten von Plastiden in Pflanzenzellen, darunter Chloroplasten, Leukoplasten und Chromoplasten [63](#page=63). #### 4.4.1 Arten von Plastiden * **Chloroplasten:** Diese sind für die Photosynthese zuständig und wandeln Lichtenergie in Zucker um. Sie enthalten das Chlorophyll, welches für die Lichtabsorption essentiell ist [64](#page=64) [65](#page=65). * **Chromoplasten:** Sie enthalten Carotinoide und verleihen Pflanzenteilen gelbe, orange oder rote Farben [64](#page=64). * **Leukoplasten:** Diese sind farblos, betreiben keine Photosynthese und dienen der Speicherung von Öl, Proteinen und Stärke (in Form von Amyloplasten) in Grund- und Speichergewebe. Leukoplasten können sich unter Lichteinfluss in Chloroplasten oder Chromoplasten umwandeln [64](#page=64). #### 4.4.2 Aufbau von Chloroplasten Chloroplasten sind von einer Doppelmembran umgeben. Ihr Innenraum ist mit der Grundsubstanz Stroma gefüllt. Im Stroma befinden sich Innenausstülpungen der Membranen, die Thylakoide. Die Thylakoide bilden stapelartige Strukturen, die als Grana (Einzelform: Granum) bezeichnet werden. In den Thylakoidmembranen sind der Großteil des Chlorophylls sowie andere Pigmente wie Carotinoide eingelagert [65](#page=65) [66](#page=66). Die photosynthetisch aktiven Pigmente sind Chlorophylle und Carotinoide. Die Grana enthalten das Chlorophyll und sind wie Geldrollen übereinander gestapelt. Die chlorophyllfreien Stromabereiche bilden netzartige Strukturen [66](#page=66). Werden Chloroplasten längere Zeit belichtet, können sich darin größere, kornartige Einschlüsse bilden, die bei Anfärbung mit Jod-Lösung blauviolett erscheinen. Dies sind Assimilationsstärke, ein Mehrfachzucker, der aus dem primären Traubenzucker gebildet wird und als wichtiger energiereicher Reservestoff dient. Aus Chloroplasten können durch Alterung (Gerontoplasten) oder Pigmenteinlagerung (Chromoplasten) andere Plastidenformen hervorgehen [65](#page=65) [66](#page=66). ### 4.5 Photosynthese Die Photosynthese ist der Prozess, bei dem energiereiche organische Verbindungen aus energiearmen anorganischen Molekülen unter Nutzung der Strahlungsenergie des Sonnenlichts synthetisiert werden. Die Ausgangsstoffe für die Photosynthese bei grünen Pflanzen sind Kohlendioxid ($CO_2$) und Wasser ($H_2O$). Unter Abgabe von Sauerstoff ($O_2$) und Glucose ($C_6H_{12}O_6$) werden in weiterer Folge Stärke synthetisiert [67](#page=67). Die allgemeine Reaktionsgleichung für die Photosynthese lautet: $$ 6 CO_2 + 6 H_2O \xrightarrow{\text{Lichtenergie}} C_6H_{12}O_6 + 6 O_2 $$ > **Tip:** Die Photosynthese ist die Grundlage nahezu allen Lebens auf der Erde, da sie die Energiequelle für die meisten Ökosysteme liefert und Sauerstoff produziert. **Beispielhafte Auflistung gesuchter Begriffe aus Abbildungen:** * Endoplasmatisches Retikulum [62](#page=62) [68](#page=68). * Chloroplast [62](#page=62) [63](#page=63) [64](#page=64) [65](#page=65) [66](#page=66) [68](#page=68). * Zellkern [62](#page=62) [68](#page=68). * Zellsaftvakuole [54](#page=54) [57](#page=57) [58](#page=58) [62](#page=62) [68](#page=68). * Zellmembran [54](#page=54) [61](#page=61) [62](#page=62) [68](#page=68). * Ribosomen [54](#page=54) [62](#page=62) [68](#page=68). * Zellwand [54](#page=54) [55](#page=55) [56](#page=56) [62](#page=62) [68](#page=68). * Golgi-Apparat [54](#page=54) [62](#page=62) [68](#page=68). * Mitochondrium [54](#page=54) [62](#page=62) [68](#page=68). --- ## Häufige fehler vermeiden - Überprüfen Sie alle Themen gründlich vor Prüfungen - Achten Sie auf Formeln und wichtige Definitionen - Üben Sie mit den in jedem Abschnitt bereitgestellten Beispielen - Memorieren Sie nicht ohne die zugrunde liegenden Konzepte zu verstehen

| Term | Definition | |------|------------| | Zelle | Die kleinste eigenständige Einheit eines Lebewesens, die alle Lebensfunktionen ausführen kann. | | Mitose | Ein Prozess der Zellteilung, bei dem aus einer Mutterzelle zwei genetisch identische Tochterzellen entstehen. | | Fortpflanzung | Die Fähigkeit von Lebewesen, Nachkommen zu erzeugen und somit ihre Art zu erhalten. | | Stoffwechsel und Energiewechsel | Der Austausch von Stoffen und Energie mit der Umgebung, der für die Aufrechterhaltung lebenserhaltender Funktionen wie Atmung und Ernährung notwendig ist. | | Wachstum und Entwicklung | Die Fähigkeit von Lebewesen, in Gewicht und Größe zuzunehmen sowie sich in Form und Aussehen zu verändern. | | Bewegung | Die Fähigkeit von Lebewesen, sich fortzubewegen, auch wenn dies sehr langsam geschehen kann. | | Reizbarkeit | Die Fähigkeit von Lebewesen, auf interne oder externe Reize zu reagieren. | | Evolution | Die Weiterentwicklung von Lebewesen über Generationen hinweg und deren Anpassung an die Umgebung. | | Zytologie | Die Lehre von den Zellen, ihre Struktur, Funktion und Entwicklung. | | Prokaryoten | Lebewesen, deren Zellen keinen Zellkern besitzen (z.B. Bakterien). | | Eukaryoten | Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern besitzen (z.B. Tiere, Pflanzen, Pilze). | | Protozyte | Eine Bezeichnung für Zellen von Prokaryoten, die keinen Zellkern aufweisen. | | Euzyte (Eucyte) | Eine Bezeichnung für Zellen von Eukaryoten, die einen Zellkern aufweisen. | | Cytoplasma | Der gesamte Inhalt einer Zelle, ausgenommen der Zellkern; umfasst Zytosol, Zytoskelett und Zellorganellen. | | Zellmembran | Eine dünne, semipermeable Biomembran, die die Zelle nach außen abgrenzt und den Stofftransport reguliert. | | Zellwand | Eine feste äußere Hülle, die Pflanzenzellen, Bakterien und Pilze umgibt und ihnen Form und Schutz bietet. | | Bakterienchromosom | Das ringförmige DNA-Molekül im Cytoplasma von Bakterien, das den Großteil der Erbinformation trägt. | | Plasmid | Kleine, ringförmige DNA-Moleküle in Bakterien, die zusätzliche Erbinformationen tragen und sich unabhängig replizieren können. | | Ribosom | Zelluläre Strukturen, an denen die Proteinsynthese (Translation) stattfindet. | | Pili | Fadenförmige Anhängsel auf der Oberfläche mancher Bakterien, die der Anhaftung dienen. | | Geißel (Flagellum) | Ein längliches, fadenförmiges Organell, das der Fortbewegung von Zellen dient. | | Zellkompartimentierung | Die Aufteilung einer Zelle in verschiedene, durch Membranen abgegrenzte Bereiche (Organellen), in denen spezifische Reaktionen stattfinden. | | Zellkern (Nukleus) | Das genetische Steuerzentrum der eukaryotischen Zelle, das das Erbgut (DNA) enthält. | | Zentrosom | Eine Zellstruktur in tierischen Zellen, die an der Bildung des Spindelapparats während der Mitose und Meiose beteiligt ist. | | Zentriol | Eine Komponente des Zentrosoms, die bei der Bildung des Spindelapparats während der Zellteilung eine Rolle spielt. | | Endoplasmatisches Retikulum (ER) | Ein Membransystem in der Zelle, das an der Synthese von Lipiden und Proteinen sowie am Stofftransport beteiligt ist. Es unterscheidet sich in raues (mit Ribosomen) und glattes ER. | | Golgi-Apparat | Ein Zellorganell, das für die Modifikation, Sortierung und Verpackung von Proteinen und Lipiden zuständig ist. | | Mitochondrien | Zellorganellen, die als „Kraftwerke der Zelle“ für die Energieproduktion (ATP-Synthese) durch Zellatmung verantwortlich sind. | | Adenosintriphosphat (ATP) | Ein energiereiches Molekül, das als universeller Energieträger in allen Zellen dient. | | Phospholipiddoppelschicht | Die grundlegende Struktur biologischer Membranen, bestehend aus zwei Schichten von Phospholipidmolekülen. | | Transportprotein | Membranproteine, die den Transport spezifischer Substanzen durch die Zellmembran ermöglichen. | | Flüssig-Mosaik-Modell | Ein Modell, das den Aufbau und die Dynamik biologischer Membranen beschreibt, bei dem Phospholipide und Proteine sich seitlich bewegen können. | | Zytosol | Die flüssige Komponente des Zytoplasmas, in der sich die Zellorganellen befinden. | | Zytoskelett | Ein Netzwerk von Proteinfasern im Zytoplasma, das der Zelle Stabilität verleiht und an Transportprozessen beteiligt ist. | | Enzyme | Biologische Katalysatoren, meist Proteine, die biochemische Reaktionen beschleunigen. | | Vesikel | Kleine, membranumhüllte Bläschen, die für den Transport von Stoffen innerhalb oder außerhalb der Zelle verantwortlich sind. | | Lysosom | Membranumschlossene Vesikel, die Verdauungsenzyme enthalten und für den Abbau von Zellabfällen zuständig sind. | | Peroxisom | Membranumschlossene Vesikel, die für die Entgiftung der Zelle und den Abbau von Wasserstoffperoxid zuständig sind. | | Sekretvesikel | Vesikel, die sekretorische Stoffe enthalten und diese durch Exozytose aus der Zelle freisetzen. | | Vakuole | Ein membranumschlossener Raum in Pflanzen- und Pilzzellen, der u.a. zur Speicherung von Wasser, Nährstoffen und Abfallprodukten dient. | | Nahrungsvakuole | Vakuolen, die durch Phagozytose aufgenommenes Material zur Verdauung enthalten. | | Zellsaftvakuole | Eine große Vakuole in Pflanzenzellen, die für den Turgordruck und die Speicherung von Stoffen verantwortlich ist. | | Phagozytose | Ein Prozess der Endozytose, bei dem größere Partikel oder Zellen in die Zelle aufgenommen werden. | | Pinozytose | Ein Prozess der Endozytose, bei dem Flüssigkeiten und gelöste Stoffe in die Zelle aufgenommen werden. | | Exozytose | Ein Prozess, bei dem Stoffe in Vesikeln verpackt aus der Zelle ausgeschleust werden. | | Endozytose | Ein Prozess, bei dem Stoffe von außen durch Einstülpungen der Zellmembran in die Zelle aufgenommen werden. | | Zellwand (Pflanzenzelle) | Die äußere, feste Hülle von Pflanzenzellen, die hauptsächlich aus Zellulose besteht und für Formgebung und Schutz sorgt. | | Turgordruck | Der Innendruck in Pflanzenzellen, der durch die Aufnahme von Wasser in die Vakuole entsteht und zur Festigkeit der Pflanze beiträgt. | | Osmose | Der gerichtete Fluss von Wasser durch eine semipermeable Membran, verursacht durch einen Konzentrationsunterschied gelöster Stoffe. | | Chloroplast | Zellorganellen in Pflanzenzellen, die für die Photosynthese zuständig sind und das Chlorophyll enthalten. | | Plastiden | Zellorganellen in Pflanzenzellen, zu denen Chloroplasten, Chromoplasten und Leukoplasten gehören. | | Chromoplasten | Plastiden, die Farbpigmente enthalten und Pflanzenzellen gelb, orange oder rot färben. | | Leukoplasten | Farblosse Plastiden, die zur Speicherung von Öl, Proteinen und Stärke dienen. | | Photosynthese | Der Prozess, bei dem Pflanzen Lichtenergie nutzen, um Kohlendioxid und Wasser in organische Verbindungen (Zucker) und Sauerstoff umzuwandeln. | | Thylakoid | Membranumschlossene Säcke innerhalb von Chloroplasten, in denen die lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese stattfinden. | | Granum (Plural: Grana) | Stapel von Thylakoiden innerhalb von Chloroplasten. | | Stroma | Die flüssige Grundsubstanz in Chloroplasten, in der die lichtunabhängigen Reaktionen der Photosynthese stattfinden. | | Mitose | Der Prozess der Kernteilung, der zur Bildung zweier genetisch identischer Tochterkerne führt und ein Teil des Zellzyklus ist. | | Zellzyklus | Der gesamte Ablauf von der Entstehung einer Zelle bis zu ihrer Teilung. | | Interphase | Die Phase des Zellzyklus zwischen zwei Mitosen, in der die Zelle wächst und ihre DNA repliziert. | | G1-Phase | Die erste Phase der Interphase, in der die Zelle wächst und Stoffwechselaktivität zeigt. | | S-Phase | Die Synthese-Phase der Interphase, in der die DNA repliziert wird. | | G2-Phase | Die zweite Phase der Interphase, in der die Zelle sich auf die Mitose vorbereitet. | | Chromosom | Strukturen im Zellkern, die die genetische Information (DNA) tragen. | | Chromatide | Einer der beiden identischen Teile eines Chromosoms, die während der Mitose getrennt werden. | | Centromer | Die Region, die die beiden Schwesterchromatiden eines Chromosoms miteinander verbindet. | | Spindelapparat (Kernspindel) | Ein Netzwerk aus Mikrotubuli, das sich während der Mitose ausbildet und für die Trennung der Chromosomen zuständig ist. | | Prophase | Die erste Phase der Mitose, in der die Chromosomen kondensieren und die Kernspindel gebildet wird. | | Metaphase | Die zweite Phase der Mitose, in der die Chromosomen sich in der Äquatorialebene anordnen. | | Anaphase | Die dritte Phase der Mitose, in der die Schwesterchromatiden getrennt und zu den Polen der Zelle transportiert werden. | | Telophase | Die vierte Phase der Mitose, in der sich die Chromosomen dekondensieren und neue Kernhüllen bilden. | | Ploidiegrad | Die Anzahl der Chromosomensätze in einer Zelle (z.B. diploid 2n, haploid n). | | Diploide Zelle | Eine Zelle mit zwei vollständigen Sätzen von Chromosomen (2n). | | Haploide Zelle | Eine Zelle mit einem einzelnen Satz von Chromosomen (n). | | Klon | Eine Population von Zellen oder Organismen, die genetisch identisch sind. | | Dessertation | Falscher Begriff, wahrscheinlich gemeint: Dekondensation. | | Dekondensation | Der Prozess, bei dem sich die Chromosomen nach der Mitose wieder entspiralisieren und zu dünnen Fäden werden. |