Zellstruktur und ihre Organellen
Eine eukaryotische Zelle besteht aus vier Hauptkomponenten: der Membran, die eine Barrierefunktion ausübt und aus einer Phospholipiddoppelschicht mit integrierten Proteinen besteht; dem Zytoplasma, das Zytosol und Organellen umfasst; dem Zellkern, der die Erbinformation speichert; und einem System von Organellen, die biochemische Prozesse sicherstellen.
- Ribosomen sind membranlose Organellen, die für die Translation verantwortlich sind.
- Mitochondrien sind doppelmembranige Organellen, die die ATP-Synthese durchführen.
- Golgi-Apparat ist ein einmembraniges Organell für den Transport und die Modifikation von Proteinen sowie die Synthese von Lysosomen.
- Endoplasmatisches Retikulum: rau (Proteinsynthese) und glatt (Lipidsynthese, Entgiftung, Calciumregulation).
- Zytoskelett — Mikrofilamente und Mikrotubuli, die die Zellform aufrechterhalten.
Eine Pflanzenzelle enthält zusätzlich Vakuolen, Plastiden und eine zellulosehaltige Zellwand. Eine Tierzelle besitzt ein Zellzentrum (Zentrosom) und Lysosomen. Prokaryotische Zellen haben keine membranen Organellen; ihre DNA wird durch ein ringförmiges Nukleoid repräsentiert.
Membrantransport
Passive Transport erfolgt entlang des Konzentrationsgradienten ohne Energieaufwand: einfache Diffusion (O₂, CO₂ durch die Lipiddoppelschicht), Osmose (Wasser durch eine semipermeable Membran) und erleichterte Diffusion durch Trägerproteine (Glukose).
Aktiver Transport erfordert ATP und findet gegen den Konzentrationsgradienten statt. Beispiele: die Natrium-Kalium-Pumpe, Exo- und Endozytose. Nach der Transportrichtung unterscheidet man Uniport, Symport und Antiport.
Zellzyklus, Mitose und Meiose
Der Zellzyklus besteht aus der Interphase (G1 — Wachstum, S — DNA-Replikation, G2 — Vorbereitung auf die Teilung) und der eigentlichen Teilung. Kontrollpunkte G1/S, G2/M und der Spindelassembly-Checkpoint sichern die DNA-Integrität und die korrekte Ausrichtung der Chromosomen. In der G0-Phase befindet sich die Zelle in einem Ruhezustand.
Mitose ist die Teilung somatischer Zellen unter Bildung von zwei identischen Tochterzellen. Stadien: Prophase (Kondensation des Chromatins), Metaphase (Ausbildung der Metaphaseplatte), Anaphase (Trennung der Schwesterchromatiden), Telophase mit Zytokinese.
Meiose ergibt vier haploide Zellen und ermöglicht die kombinative Variabilität. Die Prophase I umfasst fünf Stadien: Leptotän, Zygotän, Pachytän (mit Crossing-over), Diplotän (Chiasmata sichtbar) und Diakinese. Die zweite meiotische Teilung verläuft analog zur Mitose.
Nukleinsäuren und DNA-Kompaktierung
DNA speichert die genetische Information, RNA ist an deren Umsetzung beteiligt. Ein Nukleotid besteht aus einer nukleobase (A, G, C, T/U), einem Fünffachzucker (Desoxyribose oder Ribose) und einer Phosphatgruppe. Die DNA bildet eine antiparallele Doppelhelix (5′→3′ komplementär zu 3′→5′).
RNA-Typen: mRNA (Matrize für die Proteinsynthese), tRNA (Aminosäuren-Transport), rRNA (strukturell und katalytisch in Ribosomen), microRNA und kleine interferierende RNA (Regulations der Expression), lange non-coding RNA.
Ebenen der DNA-Kompaktierung: Nukleosom (DNA um Histon-Oktamer gewunden), 30-nm-Solenoid (stabilisiert durch Histon H1), Schleifenstruktur (Cohesine) und kondensiertes Chromosom.
Replikation, Transkription, Translation
Replikation verläuft semikonservativ, antiparallel und erfordert einen Primer. Phasen: Initiation (Entwindung der Helix durch Helikasen, Bildung der Replikationsgabel), Elongation (DNA-Synthese durch die DNA-Polymerase in 5′→3′-Richtung), Termination. Prokaryoten besitzen einen einzigen Origin am ringförmigen Chromosom; Eukaryoten haben zahlreiche Initiationspunkte und den ORC-Komplex.
Transkription: Die RNA-Polymerase bindet an den Promotor, synthetisiert mRNA und stoppt bei Erreichen des Terminators. Bei Eukaryoten folgt das Processing — Capping, Polyadenylierung und Splicing mit Herausschneiden der Introns; bei Prokaryoten finden Transkription und Translation gleichzeitig im Zytoplasma statt.
Translation findet am Ribosom mit A-, P- und E-Stellen statt. tRNA transportiert Aminosäuren, zwischen denen Peptidbindungen geknüpft werden. Die Termination erfolgt an den Stoppcodons UAA, UAG, UGA.
Genetischer Code und Genexpression
Der genetische Code umfasst 64 Codons, wovon 3 Stoppcodons sind. Eigenschaften: Triplet-Natur, Universalität, Nichtüberlappung, Eindeutigkeit und Redundanz (Degeneriertheit).
Bei Eukaryoten wird die Expression durch Promotoren und Enhancer, Aktivatoren und Repressoren, alternatives Splicing, epigenetische Modifikationen (DNA-Methylierung, Histon-Acetylierung) und microRNA reguliert. Bei Prokaryoten wirkt ein Operon-System: Ein klassisches Beispiel ist das Lac-Operon, bei dem die Anwesenheit von Laktose den Repressor inaktiviert und die Laktasesynthese in Gang setzt.
Mutationen und DNA-Reparatur
Mutationen werden unterteilt in Genmutationen, Chromosomenaberrationen (Insertionen, Deletionen, Inversionen) und Genommutationen (Änderung der Chromosomenzahl, z. B. Trisomie 21).
Bei Prokaryoten unterscheidet man photoreaktive (Photolyase), Exzisions-, postreplikative, fehleranfällige und SOS-Reparatur. Bei Eukaryoten sind die Mechanismen ähnlich, aber präziser; zusätzlich arbeiten die Mismatch-Reparatur (Fehlpaarungsreparatur) sowie die Reparatur von Einzel- und Doppelstrangbrüchen durch homologe Rekombination oder nicht-homologes End Joining.
Biochemische Grundlagen: Proteine, Fette, Kohlenhydrate
Proteine bestehen aus Aminosäuren und erfüllen katalytische, transportierende, strukturelle, schützende, regulatorische, energetische, reservierende und Rezeptorfunktionen. Strukturebenen: Primärstruktur (Sequenz), Sekundärstruktur (α-Helices, β-Faltblätter), Tertiärstruktur (Globule) und Quartärstruktur (z. B. Hämoglobin).
Lipide sind eine konzentrierte Energiequelle, die Grundlage von Membranen, Vorläufer von Steroidhormonen und Vitamin D; sie sichern die Aufnahme fettlöslicher Vitamine A, D, E, K. Sie werden in gesättigte und ungesättigte unterteilt. Der Abbau erfolgt zu Glycerin und Fettsäuren.
Kohlenhydrate sind die Hauptenergiequelle und werden als Glykogen gespeichert. Einfache (Glukose, Fruktose) werden schnell, komplexe (Stärke, Ballaststoffe) langsam verstoffwechselt. Der Zellstoffwechsel setzt sich aus Anabolismus (Synthese unter Energieaufwand) und Katabolismus (Abbau unter Energiefreisetzung) zusammen.
Schlüsselpunkte
- Die eukaryotische Zelle besitzt membrane Organellen; die prokaryotische ist auf das Nukleoid und Ribosomen beschränkt.
- Der Membrantransport ist entweder passiv (Diffusion, Osmose) oder aktiv (Na⁺/K⁺-Pumpe, Endo- und Exozytose).
- Mitose sorgt für identische Tochterzellen, Meiose für haploide Keimzellen und kombinative Variabilität.
- Die DNA wird über Nukleosomen, Solenoid, Schleifen und das Chromosom kompaktiert.
- Die Replikation verläuft semikonservativ und antiparallel; die Synthese erfolgt immer in 5′→3′-Richtung.
- Bei Eukaryoten durchläuft die mRNA vor dem Verlassen des Zytoplasmas Capping, Polyadenylierung und Splicing.
- Der genetische Code ist triplettbasiert, universal, degeneriert und eindeutig.
- Der Stoffwechsel vereint anabole und katabole Prozesse und sichert so das energetische Gleichgewicht der Zelle.