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Kapitel 2

Aufbau der Zelle - der Grundbedarf des Lebendigen


Bearbeitet von: Almut Hetzel & Gunnar Brandt

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(1) Was sind wesentliche Kennzeichen von Leben?

(2) Welche Bestandteile einer Zelle sind unentbehrlich?

(3) Welche Funktionen hat eine Zellwand?

(4) Woraus bestehen Zellwände?

(5) Wie sind biologische Membranen aufgebaut?

(6) Welche Stoffe können eine biologische Membran passieren?

(7) Welche Funktionen haben Mempranproteine?

(8) Wie ist ein Bakterienchromosom aufgebaut?

(9) Was sind Plasmide?

(10) Wie läßt sich der Informationsgehalt von DNA quantifizieren?

(11) Wodurch unterscheiden sich DNA und RNA?

(12) Wie verläuft die DNA-Replikation?

(13) Woraus besteht ein Ribosom?

(14) Was sind Transkription und Translation?

(15) Welche Funktionen haben die verschiedenen Typen von RNA?

(16) Was bedeutet "16 S rRNA"?

(17) Aus welchen chemischen Stoffen besteht eine Zelle?

(18) Wieviele freie Protonen enthält eine Bakterienzelle?

(19) Wozu dienen Spurenelemente?

(20) Wodurch unterscheiden sich Pro- und Eukaryoten?

(21) Wodurch unterscheiden sich Archaeen und Bakterien?

(22) Welche Mikroben zählen zu den Prokaryoten?

(23) Weshalb sind Viren keine Lebewesen?


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(1) ? Was sind wesentliche Kennzeichen von Leben?

  

   Lebewesen zeigen typischerweise folgende Kennzeichen: Nahrungsaufnahme, Stoffwechsel, Wachstum, Teilung, Selbstreplikation eines komplexen Systems, Reaktion auf Umwelt, Bewegung (Orientierung),  Differenzierung und Evolution.


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(2) ? Welche Bestandteile einer Zelle sind unentbehrlich?

  

   Unentbehrliche Struktur jeder Zelle ist die Membran, nicht unbedingt eine Zellwand. Von ihr eingeschlossen ist das Cytoplasma, das das Chromosom bzw. den Zellkern mit den Chromosomen enthält.  Weiterhin benötigt eine funktionierende Zelle Ribosomen, Proteine und Coenzyme.


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(3) ? Welche Funktionen hat eine Zellwand?

  

   Die Zellwand gibt der Zelle ihre Druckfestigkeit und Form. Sie stellt einen mechanischen Schutz vor äußeren Einflüssen dar. Eine Barriere für gelöste Stoffe ist sie allerdings nicht.


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(4) ? Woraus bestehen Zellwände?

  

   Bei Eubakterien besteht die Zellwand aus Murein, bei Archaeen aus Proteinen, Polysacchariden oder Pseudomurein. Die pflanzliche Zellwand dagegen wird aus Cellulose gebildet. Pilze verwenden Chitin,  Diatomeen Kieselsäure als Baustoff. Die Zellwand mancher Einzeller besteht aus Kalk.


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(5) ? Wie sind biologische Membranen aufgebaut?

  

   Membranen weisen bei (fast) allen Lebewesen einen  einheitlichen Aufbau aus einer Phospholipiddoppelschicht auf. Ein Phosphollipid besteht aus einem Glycerinmolekül, an das zwei Fettsäuren und ein  Phosphorsäuremolekül über drei Esterbindungen gebunden sind. Das Molekül hat einen hydrophilen Teil, der eine Phosphatgruppe und einen organischen Rest trägt, und einen hydrophoben Teil mit veresterten Fettsäuregruppen. Jeweils  zwei Phospholipide lagern sich mit ihren hydrophoben Teilen zueinander in einer Doppelschicht an. Eine Membran hat eine Dicke von etwa 8 nm. Ein- oder aufgelagert sind Proteinmoleküle, die einen beträchtlichen Teil der Trockenmasse  ausmachen können. Variationen findet man bei extrem thermophilen Bakterien und Archaeen.


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(6) ? Welche Stoffe können eine biologische Membran passieren?

  

   Biomembranen sind selektiv permeabel. Kleine ungeladene Moleküle und Gase können durch die Membran diffundieren, während die meisten gelösten Substanzen zurückgehalten werden.  Für Transport der meisten Stoffe sorgen Membranproteine. Polymere Substanzen und Partikel können nicht durch Membranen transportiert werden (Ausnahme Proteinsekretion, s. Kapitel 10, Transport).


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(7) ? Welche Funktionen haben Mempranproteine?

  

   Membranproteine sorgen als Transportproteine oder Carrier für die Aufnahme und Abgabe von Stoffen. Andere sind an der Energiekonservierung durch Atmung beteiligt. Manche Membranprotein haben auch signal-übermittelnde oder regulatorische Funktion.


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(8) ? Wie ist ein Bakterienchromosom aufgebaut?

  

   Ein Bakterienchromosom ist ein einziges doppelsträngiges Molekül, das ringförmig geschlossen und nicht von einer Kernhülle umgeben ist. Ein Bakterienchromosom besteht wie alle Chromosomen aus Desoxyribunukleinsäure


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(9) ? Was sind Plasmide?

  

   Plasmide sind kleine DNA-Moleküle, die ebenfalls ringförmig geschlosssen sind. Sie tragen normalerweise keine für Wachstum und Teilung unentbehrliche Information. Oft findet man Resistenzgene oder solche, die den Abbau zusätzlicher Substratge erlauben.


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(10) ? Wie läßt sich der Informationsgehalt von DNA quantifizieren?

  

   Die Information der DNA ist durch die Abfolge der Basenpaare codiert. Die Wahl eines Nukleotids hat den Informationsgehalt von zwei Bit, da man mit vier Basen zwei Ja-Nein Entscheidungen codieren kann. Anhand der Länge der Chromosomen kann man so den Informationsgehalt eines Genoms abschätzen. Ein Bakterienchromosom mit 4 Millionen Basenpaaren hat einen Informationsgehalt von 8 Millionen Bit oder 1 MByte.


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(11) ? Wodurch unterscheiden sich DNA und RNA?

  

   RNA ist im Gegensatz zu DNA ein einsträngiges Molekül. In der DNA wird statt Ribose die um eine OH-Gruppe ärmere Desoxyribose verwendet. RNA hat als Base kein Thymin, sondern Uracil.


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(12) ? Wie verläuft die DNA-Replikation?

  

   Die Replikation der DNA erfolgt nicht in einem Stück, sondern in mehreren kleinen Abschnitten. An durch die Basenfolge besonders codierten Stellen wird die DNA-Stränge von Enzymen getrennt. An die  freien Basen lagern sich die komplementären Nukleotide durch Wasserstoffbrückenbindungen an. Die Replikation wird semikonservativ genannt, da jeweils eine Hälfte des neuen Chromosoms alte DNA enthält.


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(13) ? Woraus besteht ein Ribosom?

   S steht für Svedberg Einheiten und bezieht sich auf den Sedimentationskoeffizienten beim Zentrifugieren.

   Ribosomen sind kleine intrazelluläre Gebilde aus Ribonukleinsäuren (rRNA, ~40%) und Proteinen (~60%). Bei der rRNA unterscheidet man verschiedene Größen, z.B. bei Prokaryoten 5S, 16S und 23S RNA . 


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(14) ? Was sind Transkription und Translation?

  

   Bei der Transkription wird von dem zu lesenden DNA-Strang ein komplementärer RNA-Strang synthetisiert, der die Information des Gens zu den Ribosomen transportiert und als messenger RNA (mRNA) bezeichnet wird. Jeweils drei mRNA-Nukleotide codieren durch ihre Basenfolge das Codon, eine Aminosäure. In den Ribosomen lagert sich an die mRNA das entsprechende Anticodon der Transfer-RNA (tRNA). An drei  Nukleotide der tRNA ist jeweils die dem Basencode entsprechende Aminosäure gebunden. Die Aminosäuren binden unter Ausbildung einer Peptidbindung und Wasserabspaltung zu einer Proteinkette. Diese Übersetzung der Basensequenz in  Aminosäureketten nennt man Translation.


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(15) ? Welche Funktionen haben die verschiedenen Typen von RNA?

  

   mRNA (Messenger-RNA) übertägt ein Stück der DNA-Information zu den Ribosomen. tRNA (Transfer-RNA) transportiert jeweils eine festgelegte Aminosäure zu den Ribosomen und überträgt sie dort auf den wachsenden Proteinfaden. rRNA (ribosomale RNA) ist wesentlicerh Bestandteil der Ribosomen. Sie hat Struktur-bildende und funktionelle Aufgaben bei der räumlichen Proteinsynthese.


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(16) ? Was bedeutet "16 S-rRNA"?

  

   rRNA bedeutet ribosomale Ribonukleinsäure. Das S bedeutet Svedberg Einheiten. Die Zahl bezieht sich auf den Sedimentationskoeffizienten beim Zentrifugieren.


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(17) ? Aus welchen chemischen Stoffen besteht eine Zelle?

  

   Eine Zelle besteht zu einem Großteil aus Wasser (80 %) und einer Vielzahl verschiedener Proteine (50 % der Trockenmasse). Die drittgrößte Fraktion der Zellbestandteile nimmt die Zellwand ein, die aus einem einzigen Makromolekül  besteht, das je nach Zelle verschieden aufgebaut sein kann. Außerdem enthält eine Zelle RNA (15 % d. Tr.) und DNA (3 % d. Tr.). Lipide, anorganische Ionen und andere kleine organische Verbindungen machen zusammen ca.11%  d. Tr. aus.


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(18) ? Wieviele freie Protonen enthält eine Bakterienzelle?

  

   Da im Cytoplasma ein pH-Wert von etwa 8 herrscht (10-8 mol H+ pro l) und ein Bakterium ein Volumen von nur etwa 10-15 l hat, bleiben nur etwa 10-23 mol H+ also etwa sechs freie Protonen in einem Bakterium.


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(19) ? Wozu dienen Spurenelemente?

  

   Spurenelemente haben katalytische Funktionen in aktiven Zentren von Enzymen.


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(20) ? Wodurch unterscheiden sich Pro- und Eukaryoten?

  

   Der wesentlichste Unterschied dürfte die durch Membranen bewirkte Strukturierung der Eukaryotenzelle sein, die man bei Prokaryoten (fast) nie findet. Prokaryoten besitzen keinen Zellkern mit Kernhülle. Eukaryoten ('Echtkernige') besitzen eine echten Zellkern. Die Zellen sind meistens wesentlich größer als die der Prokaryoten. Eukaryoten vermehren sich durch Meiose, während Prokaryoten sich asexuell fortpflanzen. Die ribosomale RNA läßt sich in 70 S-rRNA bei den Prokaryoten und 80 S-rRNA bei den Eukaryoten unterscheiden.


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(21) ? Wodurch unterscheiden sich Archaeen und Bakterien?

  

   Archaeen und (Eu-)Bakterien sind beide Prokaryoten. Die Zellwände Gruppen sind verschieden aufgebaut. Bakterien haben Zellwände aus Murein, das man bei  Archaeen nicht findet. Unter den Archaeen findet man die Vertreter, die bei den höchsten Temperaturen wachsen können, sowie extrem salzliebende (halophile) und säureliebende (acidophile) Verteter, jedoch keine, die (echte) Photosynthese betreiben. Nur Archaeen können Methan produzieren. Man kann die Gruppen auch anhand ihrer Empfindlchkeit gegenüber Antibiotika und ihrer DNA-Sequenzen unterscheiden.


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(23) ? Welche Mikroben zählen zu den Prokaryoten?

  

   Zu den Prokaryoten zählt man die Archaeen und die (Eu-)Bakterien.


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(23) ? Weshalb sind Viren keine Lebewesen?

  

   Viren sind keine Lebewesen, da sie keinen eigenen Stoffwechsel besitzen sondern in essentiellen Funktionen auf Komponenten der Wirtszelle angewiesen sind.


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