Schulbuch-unabhängiger Lerntext Zellbiologie

Roland Heynkes, 5.9.2015

Auf dieser Seite sammle ich nur die Schulbuch-unabhängigen und noch nicht in eigenen Texten verarbeiteten Informationen, die ich mir bisher zum Thema Zellbiologie erarbeitet habe.

Gliederung

zum Text Animationen
zum Text Cytoplasma
zum Text Technische Fortschritte erweiterten biologisches Wissen
zum Text Die Endosymbionten-Theorie
zum Text Der Aufbau einer tierischen Zelle
zum Text Zellkern und Kernhülle
zum Text Endoplasmatisches Retikulum
zum Text Mitochondrien
zum Text Plastiden
zum Text Chloroplasten
zum Text Vakuolen
zum Text Ribosom
zum Text Vom Gen zum Genprodukt
zum Text Transkription
zum Text Translation
zum Text Aufgaben und Antworten zur Erarbeitung der Seiten 76-77
zum Text plumper Versuch, die Transkription in Schritten zu erklären
zum Text mein einfaches Kreislaufschema der Translation
zum Text Die Zellwand - Seite 36
zum Text Zellen im Vergleich - Eucyten und Protocyten - Seite 37
zum Text DNA-Replikation
zum Text Drei Hypertext-Arbeitsblätter zu den Seiten 68, 69 und 71 unseres Buches
zum Text Der Zellzyklus
zum Text weiterführende Quellen

Animationen nach oben

Das Molecular and Cellular Biology Education Project des World Wide Web Instructional Committee der North Dakota State University stellt kostenlos seine Virtual Cell Animation Collection allen Interessierten zur Verfügung.

Texte, Videos, Animationen und Simulationen zu einem breiten Sepktrum naturwissenschaftlicher Themen bietet auch das kostenlose SpongeLab.

Cytoplasma nach oben

Das Cytoplasma ist die leicht körnige Grundsubstanz der Zellen, in der die Organellen schwimmen und eine Kompartimentierung schaffen. Es besteht zu 60-90% aus Wasser, in dem anorganische Moleküle und Ionen schwimmen, aber auch organische Moleküle, darunter vor allem Proteine, Lipide, Polysaccharide und RNA. Seine Konsistenz kann zwischen einem flüssigen Sol- und einem festeren Gelzustand wechseln. In ihm finden unzählige Stoffwechselreaktionen statt und sie ist keine strukturell einheitliche Masse. In ihm gibt es Ribosomen und Filamente, wobei die Filamente ein Zytoskelett bilden.

Die in unserem Buch ebenfalls als Strukturelemente des Cytoplasma genannten Mitochondrien und Plastiden sind in Wirklichkeit Organellen.

Technische Fortschritte erweiterten biologisches Wissen nach oben

Die Biologie ist eine Naturwissenschaft, die früher hauptsächlich von der Beobachtung natürlicher Phänomene gelernt hat. Immer wieder haben deshalb neue technische Möglichkeiten zu bedeutenden neuen Erkenntnissen in der Biologie geführt. Ein solcher Meilenstein war die Erfindung des Lichtmikroskops um das Jahr 1600, die 1665 zur Entdeckung der Zellen durch Robert Hooke und etwa 1675 zur Entdeckung von Einzellern und sogar Bakterien durch Antoni van Leeuwenhoek führte. Erst 1838 erkannten der Botaniker Matthias Schleiden und der forschende Mediziner Theodor Schwann aufgrund mikroskopischer Untersuchungen, dass alle Pflanzen und Tiere aus Zellen aufgebaut sind. Ebenfalls mit Hilfe eines Lichtmikroskops beobachtete Hugo von Mohl 1835 erstmals eine Zellteilung. Rudolf Virchow leitete aus dieser und vielen weiteren Beobachtungen 1855 die Hypothese ab, dass Zellen nur aus Zellen (durch Zellteilung) und nicht etwa aus Schlamm oder anderen nicht lebenden Materialien entstehen (Omnis cellula e cellula). Außerdem erkannte dieser berühmte Arzt, dass viele Krankheiten mit bestimmten Veränderungen von Zellen verbunden sind. Allerdings muss irgendwann eine erste Zelle entstanden sein.

Die Entwicklung der Anfärbung von Zellen zur Vergrößerung der Kontraste begann nicht erst 1873 mit der Färbung von Nervenzellen mit Silbernitrat durch Camillo Golgi, und er erhielt auch nicht nur dafür 1906 gemeinsam mit seinem verhassten Konkurrenten Ramon y Cajal den Medizin-Nobelpreis. Unser Biologiebuch schlampt gewaltig mit seinen Angaben, weil es statt der wirklichen Erfindungsdaten einfach die Jahreszahlen daraus folgender Nobelpreise nennt. Tatsächlich benutzte Christian Gottfried Ehrenberg bereits 1838 den aus Schildläusen gewonnenen roten Farbstoff Karmin zur Anfärbung von Einzellern. Großen Anteil an der Entwicklung der Färbetechniken für Zellbestandteile hatte um das Jahr 1855 der Anatom Joseph von Gerlach. Mit einer eher zufälligen Entdeckung durch William Henry Perkin begann 1856 die Entwicklung künstlicher Textilfarbstoffe, die es Paul Ehrlich ermöglichten, 1879-1894 die Anfärbung von Zellen zu perfektionieren. Der von unserem Buch genannte Ramon Cajal hatte mit dieser ganzen Entwicklung eigentlich gar nichts zu tun.

Noch wichtiger als die Färbung ist für das Mikroskopieren die Fixierung der Zellbestandteile, damit sie nicht zerfallen, enzymatisch zersetzt oder später von Bakterien oder Pilzen gefressen werden. Aber auch das wurde nicht von Golgi und Cajal und schon gar nicht erst 1906 entwickelt. Bei der Untersuchung seiner desinfizierenden Eigenschaften entdeckte Ferdinand Blum bereits 1893, dass sich Formalin (35-40%ige Formaldehydlösung) besser als Alkohol zur Fixierung und Konservierung mikroskopischer Präparate eignet. Diese Methode ist bis heute die gebräuchlichste.

Sehr wichtig für das Verständnis der Zelle war auch die Erfindung des Elektronenmikroskops 1931 durch Ernst Ruska und Max Knoll sowie etwa zeitgleich durch Reinhold Rüdenberg, weil dadurch die Feinstruktur der Zelle und damit das genaue Aussehen der Organellen sichtbar wurde. Auch die Viren wurden erst durch Elektronenmikroskope sichtbar.

Was wir durch weitere Referate über Mikroskopie gelernt haben, findet man in meinem Glossar unter dem Stichwort Mikroskop.

Die Endosymbionten-Theorie nach oben

Informationen zur Endosymbionten-Theorie findet man im Lerntext Endosymbionten-Theorie.

Der Aufbau einer tierischen Zelle nach oben

Zell-Schema aus Wikimedia Commons
Woland Messer, GNU Free Documentation License
  1. Ein Nukleolus oder mehrere Nukleoli innerhalb des Zellkerns sind die Orte, an denen die Ribosomen aus RNA und Proteinen zusammen gesetzt werden
  2. Zellkern (Nukleus) mit dem aus DNA bestehenden genetischen Bauplan der Zelle
  3. Ribosomen übersetzen das 4-Buchstabenalphabet der Nukleinsäuren in das 20-Aminosäuren-Alphabet der Proteine.
  4. Vesikel sind kleine Membranbläschen und dienen hauptsächlich dem Transport in der Zelle.
  5. Raues endoplasmatisches Retikulum (ER) ist mit Ribosomen besetzt.
  6. Ein Dictyosom ist einer von mehreren Membranstapeln des Golgi-Apparats.
  7. Mikrotubuli sind Bestandteile des Zytoskeletts.
  8. Glattes endoplasmatisches Retikulum trägt keine Ribosomen.
  9. Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle.
  10. Lysosomen werden als Verdauungsvesikel vom Golgi-Apparat abgeschnürt.
  11. Zytoplasma ist die viskose Grundsubstanz der Zelle.
  12. Vom endoplasmatischen Retikulum abgeschnürte Peroxisomen erzeugen und nutzen H2O2 zur Alkohol-Verdauung.
  13. Zentriole organisieren in Zellen von Tieren und niederen Pflanzen die Mikrotubuli.

Zellkern und Kernhülle nach oben

Normale Eukaryoten-Zellen besitzen genau einen Zellkern (Nukleus). Oft wird der Zellkern mit dem Rathaus einer Stadt verglichen und behauptet, er bestimme alles, was in einer Eukaryoten-Zelle geschieht. Unser Buch nennt ihn Steuerzentrale. Wäre das so, dann müssten entweder aufgrund identischen Erbgutes alle Zellen eines Organismus gleich sein, oder der Zellkern müsste allein erkennen können, was die Zelle werden muss. Tatsächlich ist seine Funktion aber viel eher die einer Bibliothek mit unzähligen Bauplänen. Wenn die Zelle einen Bauplan braucht, macht sie sich im Zellkern eine Kopie davon. Wann sie welche Baupläne benutzt, dass entscheidet die Zelle vor allem aufgrund vielfältiger Signale von anderen Zellen.

Vom ihn umgebenden Zytoplasma wird der Zellkern durch Kernhülle getrennt. Sie wird vom endoplasmatischen Retikulum gebildet bleibt mit diesem verbunden. Die Kernhülle besteht aus zwei je 7,5 nm dicken Membranen mit einem 20 nm breiten Spalt dazwischen.

Innerhalb der Kernhülle befindet sich das Kernplasma und in diesem schwimmt das Chromatin. So nennt man die Gesamtheit der in einem Zellkern anfärbbaren DNA-Protein-Komplexe. Das Chromatin ist unterteilt in Chromosomen, die ihrerseits vor einer Zellteilung aus zwei und nach einer Zellteilung aus einem Chromatid bestehen.

Innerhalb des Nukleus heben sich ein Nukleolus oder mehrere Nukleoli farblich ab. In ihm oder ihnen werden direkt an den dafür zuständigen Genen eines Chromosoms die ribosomalen RNAs und Proteine synthetisiert, die dann noch im Nukleolus zu Ribosomenuntereinheiten zusammengebaut werden. Die Untereinheiten verlassen durch die großen Kernporen den Zellkern und im Cytoplasma finden jeweils eine große und eine kleine Untereinheit zu einem kompletten Ribosom zusammen.

Die Kernporen sind kompliziert aufgebaute Kanäle mit 60-100 nm Durchmesser, die einen kontrollierten Austausch von Stoffen, Makromolekülen und Ribosomen-Untereinheiten zwischen Kernplasma und Zytoplasma ermöglichen.

Zur selbständigen Erarbeitung der Seite 25 unseres Buches habe ich ein Hypertext-Arbeitsblatt erstellt, das Lernende problemlos im Klassenraum oder auch in einem Park bearbeiten können.

Endoplasmatisches Retikulum nach oben

Bisher habe ich dazu nur ein Hypertext-Arbeitsblatt

Mitochondrien nach oben

Diese Tabelle zeigt meine Aufgabenstellungen zur Erarbeitung der Seite 30, auf der es um die Mitochondrien geht.
1Was und wie groß sind Mitochondrien?
Mitochondrien sind 1-10 µm kleine, runde oder längliche Körperchen.
2Wieviele Mitochondrien leben in einer Zelle?
Je nach Größe und Energiebedarf findet man in Zellen 1.000 - 100.000 Mitochondrien.
3Woran kann man sie so gut erkennen?
Typisch für Mitochondrien ist die massiv gefaltete innere Membran innerhalb der äußeren.
4Wie sind Mitochondrien aufgebaut?
Mitochondrien haben eine äußere und eine röhren- (Tubuli) oder kamm- bzw. lamellenförmig (Christae = kammförmige) zwecks Oberflächenvergrößerung stark gefaltete innere Membran. Beide Membranen sind 7,5 nm dick und mindestens 10 nm von einander entfernt. Zwischen den Membranen gibt es eine feinkörnige Grundsubstanz namens Matrix.
5Was sind ihre Aufgaben?
Sie sind die Kraftwerke der Zelle. Enzyme in ihrer Matrix katalysieren aber auch den Zitronensäurezyklus, den Abbau von Fettsäuren und den Umbau von Aminosäuren.
6Was ist ATP und welcher Prozess bildet es?
ATP ist die chemische Speicherform für Energie in der Zellen und wird in Mitochondrien im Verlauf der Atmungskette an den ATP-Synthase-Komplexen gebildet.
7Warum wohl enthalten Mitochondrien DNA?
Mitochondrien sind endosymbiotisch in Eukaryotenzellen lebende Bakterien, die sich selbständig vermehren können und dafür einen Bauplan brauchen.
8Überlege, wie die im Nukleus codierten Proteine in die Mitochondrien kommen könnten!
Sie werden im Cytoplasma synthetisiert und dann durch die Membranen in die Mitochondrien transportiert. Denkbar wäre auch gewesen, dass sie im endoplasmatischen Retikulum entstehen und von Vesikeln in die Mitochondrien gebracht werden oder dass sie von Ribosomen direkt durch die Mitochondrienmembran synthetisiert werden.

Plastiden nach oben

Diese Tabelle zeigt meine Aufgabenstellungen zur Erarbeitung der Seite 31, auf der es um die Plastiden geht.
1Was sind Chloroplasten und was ist ihre Aufgabe?
Chloroplasten sind kugelige oder linsenförmige, grüne Körperchen, in allen grünen Pflanzenteilen. Sie sind die Orte der Fotosynthese.
2Welche Farbstoffe sind für die Fotosynthese erforderlich und welche Eigenschaften haben sie?
polare Chlorophylle (blaugrünes Chlorophyll a und gelbgrünes Chlorophyll b) und Carotinoide (unpolare Carotine und polare Xanthophylle)
3Woran erkennt man, dass Chloroplasten Zucker produzieren?
In den Chloroplasten sind Körnchen von Assimilationsstärke nachweisbar.
4Wann und warum sieht man die Carotinoide in den Blättern unserer Laubbäume?
Man sieht die Carotinoide erst im Herbst, wenn in den Blättern der meisten unserer Laubbäume in den Chloroplasten das Chlorophyll abgebaut wird.
5Für welche beiden Prozesse benötigen Chloroplasten Licht?
Chloroplasten benötigen Licht für ihre Entwicklung und für die Fotosynthese.
6Welche Informationen finden sich auf Seite 31 zu zwei weiteren Arten von Plastiden?
In den Zellen reifer Früchte und vieler Blüten finden man Chromoplasten genannte, durch Carotionide gelb- bis orange gefärbte Körnchen. In den farblosen Zellen pflanzlicher Speicherorgane wie Samen, Knollen oder Wurzelstöcken findet man unauffällige Körnchen ohne Farbstoffe. Sie heißen Leukoplasten und sie bauen aus Zucker Reservestärke auf.

Chloroplasten nach oben

Chloroplasten sind 5-10 µm große, linsenförmige Organellen. Die äußere Abgrenzung zum Zytoplasma bildet - ähnlich wie beim Zellkern, aber ohne Poren - eine Hülle aus einer äußeren und einer inneren Plastiden-Membran mit einem Spalt dazwischen. Die Grundsubstanz im Inneren heißt Matrix oder Stroma und enthält eigene Ribosomen sowie mehrere ringförmige DNA-Moleküle. Außerdem findet man im Stroma Lipidtröpfchen und große Stärketröpfchen, in denen die energiereichen Stoffe gespeichert werden, welche die Chloroplasten im Stroma produzieren. Die innere Plastiden-Membran ist an verschiedenen Stellen eingestülpt (leider zeigt unser Buch das nicht und beschreibt es widersprüchlich) und bildet im Inneren jedes Chloroplasten ein zusammenhängendes, dem endoplasmatischen Retikulum und dem Golgi-Apparat ähnelndes Membransystem, das viele kleine Hohlräume vom Stroma abgrenzt. Zusammen mit den sie umgebenden Membranen nennt man diese Hohlräume Thylakoide. Dabei unterscheidet man zwei Arten von Thylakoiden - die röhrenförmigen oder flächigen Stromathylakoide und die aus runden Thylakoidstapeln bestehenden Grana oder Granathylakoide. Ein einzelner Stapel heißt Granum. Mehrere Stapel heißen Grana und werden durch Stromathylakoide miteinander verbunden.

Schema eines Chloroplasten
selbst gezeichneter Chloroplast
  1. äußere Plastiden-Membran
  2. innere Plastiden-Membran
  3. Granum, Grana-Thylakoid
  4. Stroma-Thylakoid
  5. Ribosom
  6. Lipid-Tröpfchen
  7. Stärke-Körnchen
  8. DNA
  9. mRNA
Dieses von mir gezeichnete Schema darf gemäß den Bestimmungen der Creative Commons frei verwendet werden.

Nur die Membranen der Thylakoide enthalten das Chlorophyll, das für die Fotosynthese gebraucht wird. Die Chlorophyll-Moleküle schwimmen zusammen mit Carotin-Molekülen und verschiedenen Proteinen und bilden mit diesen sogenannte Fotosysteme in einer Lipiddoppelschicht, die mit diesem Aufbau nicht untypisch für die Membranen von Zellen und Organellen ist.

Vakuolen nach oben

Diese Tabelle zeigt Aufgaben und Antworten zur Erarbeitung der Seite 34, auf der es um Vakuolen geht.
1Definiere Vakuolen und nenne die Zellen, in denen sie vorkommen!
Vakuolen sind mit Zellsaft gefüllte Hohlräume in Pflanzenzellen.
2Beschreibe die Zusammensetzung und die Aufgabe des Tonoplasten!
Der Tonoplast ist eine Membran und besteht daher aus einer Lipiddoppelschicht mit darin schwimmenden Proteinen. Er grenzt eine Vakuole vom Zytoplasma ab.
3Stelle die Entwicklung der großen Vakuole einer Pflanzenzelle nach ihrer letzten Teilung dar!
Direkt nach der letzten Zellteilung sieht die Zelle noch genauso aus wie eine embryonale Pflanzenzelle. Das Zytoplasma füllt noch gleichmäßig den gesamten Zellraum aus und in ihm schwimmen neben vielen anderen Organellen auch einige kleine Vakuolen. Während die Zelle wächst, werden die Vakuolen zahlreicher und größer, während das Cytoplasma kaum größer wird. Zwischen den Vakuolen bildet das Cytoplasma zunächst noch breite Schichten, später nur noch dünne Fäden und schließlich beschränkt es sich auf einen schmalen Rand zwischen dem Plasmalemma und einer vereinigten, großen Vakuole.
4Definiere Zellsaft und stelle dar, worin er sich befindet und woraus er besteht!
Der Zellsaft ist eine wässrige Lösung zahlreicher organischer und anorganischer Stoffe. Er befindet sich in den Vakuolen der Pflanzenzellen und besteht aus Reservestoffen und Stoffwechselendprodukten in wässriger Lösung.
5Gib an, welche Reservestoffe im Buch genannt werden, und beschreibe ihre Aufgabe!
Das Buch nennt die Reservestoffe Traubenzucker (Glucose), Fruchtzucker (Fructose) und Rohrzucker (Saccharose). Diese Stoffe werden vorübergehend aus dem Stoffwechsel heraus genommen und bei Bedarf wieder ins Zytoplasma zurück transportiert.
6Definiere Stoffwechselendprodukte und fasse zusammen, wo sie gelagert werden und welchen Zweck sie noch erfüllen können!
Stoffwechselendprodukte sind teilweise giftige Stoffe, die von der Zelle nicht mehr gebraucht, aber im Gegensatz zu Tieren von den Pflanzenzellen nicht ausgeschieden werden. Damit sie den Zellen nicht schaden, werden sie in der Vakuole endgelagert. Gerade weil sie teilweise giftig sind, schützen sie Pflanzen vor Tieren, die dadurch nicht allzu viel von einer giftigen Pflanze fressen können.
7Erläutere die Bedeutung der Vakuole für die Stabilität einer Pflanze!
Es steht zwar nicht auf dieser Buchseite, aber wir hatten früher schon besprochen, dass Pflanzen durch die Zellwand vor dem Platzen bewahrt werden. So können Pflanzenzellen durch ihre riesigen Vakuolen prall gefüllt und ähnlich stabil wie eine aufgepumpte Luftmatraze sein. Können die Vakuole aufgrund von Wassermangel nicht prall gefüllt werden, dann wird die Pflanze schlaff, sofern sie nicht durch Holz stabilisiert wird.

Ribosom nach oben

Diese Tabelle zeigt Aufgaben und Antworten zur Erarbeitung der Seite 27, auf der es um Ribosomen geht.
1Fasse in zwei Sätzen zusammen, was die Bilder 27.1 A und B zeigen!
Bild 27.1 A zeigt Ribosomen und lässt beide Untereinheiten erkennen. 27.1 B zeigt ein Polysom bzw. Polyribosomen.
2Überprüfe die Aussagen des Buches zur "Molekülmasse" eines Ribosoms und ihrer Messung!
Abgesehen davon, dass Ribosomen keine Moleküle sind und daher auch keine Molekülmasse haben können, sind die Aussagen des Buches auch noch widersprüchlich. Man kann nicht die Molekülmasse mit einer Zentrifugation bestimmen, deren Ergebnis (gemessene Sedimentationsgeschwindigkeit) von der Größe und der Dichte abhängt.
3Ermittle die Bedeutung der unterschiedlichen Ribosomen-Größen von Tieren, Bakterien, Chloroplasten und Mitochondrien!
Tiere und Pflanzen haben größere Ribosomen als Bakterien, aber die Ribosomen von Chloroplasten und Mitochondrien entsprechen eher denen der Bakterien. Dies unterstützt die Endosymbionten-Theorie, nach welcher die Plastiden und Mitochondrien ursprünglich Bakterien waren, die heute in enger Endosymbiose mit Eukaryoten-Zellen leben.
4Beschreibe im Detail, was ein Ribosom tut und was es dafür braucht!
Ein Ribosom liest eine Boten-RNA (mRNA) genannte Kopie einer in DNA codierten Erbinformation (Gen) im Zellkern. Gemäß der darin enthaltenen Anweisungen verknüpft es in genau festgelegter Reihenfolge einzelne Aminosäuren zu einer Proteinkette. Dazu ist es erforderlich, dass jede einzelne Aminosäure an eine spezielle transfer-RNA (tRNA) gebunden ist.

Vom Gen zum Genprodukt nach oben

Der Zellkern jeder noch teilungsfähigen, eukaryotischen Zelle enthält ihren Bauplan (Genom) in Form von DNA. Unter anderem damit diese wertvolle DNA den schützenden Zellkern nicht verlassen muss, werden von jedem aktiven Gen des Genoms in einem Transkription genannten Prozess von einem speziellen Enzym (DNA-abhängige RNA-Polymerase) Umschriften (Kopien auf den etwas anderen Informationsträger RNA) gemacht, die durch Kernporen ins Cytoplasma gelangen. Dort binden die große und die kleine Untereinheit eines Ribosoms an die mRNA. Das Ribosom übersetzt in einem Translation genannten Prozess die Nukleotidsequenz der mRNA in die Aminosäure-Sequenz eines Proteins, welches in diesem Fall das Genprodukt ist.

Weil normale Proteine 20 verschiedene Aminosäuren, die mRNA aber nur 4 verschiedene Nukleotide enthält, werden sogenannte Tripletts aus je 3 Nukleotiden benötigt, um eine Aminosäure zu codieren. Die sogenannte Codonsonne zeigt, welche Tripletts für welche Aminosäuren stehen.

Transkription nach oben

Aufbau der Nucleotide
Nucleotide Nucleoside
Yikrazuul, CC BY-SA 3.0

Ähnlich wie die Proteine und Polysaccharide bestehen auch die Nucleinsäuren (DNA und RNA) aus unzähligen Grundbausteinen, den Monomeren. Diese Monomere heißen bei den Proteinen Aminosäuren, bei Polysacchariden wie Stärke und Zellulose heißen sie Monosaccharide (Einfachzucker) und bei Nukleinsäuren nennt man sie Nucleotide. Die in den Nucleinsäuren eingebauten Nucleotide kann man auch Nukleosidmonophosphate nennen. Bevor sie in eine Nukleinsäure eingebaut werden, besitzen sie drei Phosphate und heißen Nukleosidtriphosphate. Die Abspaltung der beiden äußeren Phosphatreste liefert die Energie für den Einbau in die Nukleinsäure. Jedes Nucleotid besteht aus dem Einfachzucker Ribose (in RNA) oder Desoxyribose (in DNA), an dem ein Molekül Phosphorsäure sowie eine organische Base hängen. Von den Basen gibt es in der DNA 4 verschiedene: Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Adenin, Cytosin und Guanin kommen auch in der RNA vor, aber Thymin ist dort durch Uracil ersetzt.

Aufbau der Nucleinsäuren
stark vereinfachendes Schema der DNA

Die Nukleotide sind in den Nucleinsäuren so miteinander verbunden, dass eine Art Rückgrat oder Leiterholm entsteht, in welchem sich der Zucker und die Phosphorsäure immer abwechseln. Von diesem Leiterholm stehen die verschiedenen Basen ab. Die RNA ist damit schon vollständig beschrieben, aber bei der DNA steht dem Leiterholm mit seinen abstehenden Base ein zweiter Holm gegenüber, dessen Basen über Wasserstoffbrückenbindungen mit jeweils einer Base der anderen Seite verbunden sind. So bilden die beiden über ihre Basen verbundenen Holme eine Art Leiter oder Strickleiter.

Man sieht außerdem, wie sich die beiden Holme spiralig um einander winden. Weil man jeden einzelnen auch als Helix bezeichnen kann, nennt man den DNA-Doppelstrang auch Doppelhelix. Der Durchmesser der Doppelhelix beträgt nur ungefähr 2 Nanometer, während die Gesamtlänge der DNA einer einzigen menschlichen Zelle etwa 1,8 Meter beträgt.

Dieses vereinfachte Modell wurde von einem anonymen Schweizer der public domain geschenkt.
DNA-Basenpaarungen
Schema der DNA-Basenpaarungen

In der DNA stehen sich immer nur Adenin und Thymin oder Cytosin und Guanin gegenüber. Man spricht von sich ergänzenden oder komplementären Basenpaaren. Dabei sind Adenin und Thymin jeweils durch 2 Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden. Bei Cytosin und Guanin sind es drei. Cytosin und Guanin sind deshalb fester miteinander verbunden.

Man erkennt in dieser Darstellung auch, dass die beiden Enden eines DNA-Einzelstranges (Holmes) nicht identisch sind. Man unterscheidet zwischen einem 5'-Ende und einem 3'-Ende. Dabei steht immer ein 5'-Ende des einen Einzelstranges einem 3'-Ende des Gegenstranges gegenüber.

Aus diesem Aufbau ergibt sich, dass sich die Sequenz des einen Stranges automatisch aus der Sequenz des Gegenstranges ergibt. Für die genetische Information reicht daher ein Strang aus. Der Gegenstrang schützt allerdings die DNA vor dem Zerfall und stellt quasi eine Sicherheitskopie dar. Wird ein Strang beschädigt, kann er durch den Vergleich mit dem unbeschädigten Gegenstrang repariert werden.

Außerdem lässt diese Struktur der DNA das Potential erkennen, Kopien von DNA-Einzelsträngen herzustellen. Diese Eigenschaft der DNA wird zur DNA-Verdopplung vor einer Zellteilung sowie zur Produktion von RNA-Kopien genutzt. Letzteres nennt man Transcription, denn im Grunde wird die DNA-Vorlage Buchstabe für Buchstabe abgeschrieben. Die Buchstaben sehen nur ein wenig anders aus.

Dieses Schema wurde von Madeleine Price Ball der public domain geschenkt.
Schema der Transkription
Transkription
Roland Heynkes, CC BY-SA 3.0. Ich habe nur die Größe der RNA-Polymerase korrigiert und ein Schema ins Deutsche übersetzt, das von einem anonymen Zeichner als public domain der Wikimedia zu Verfügung gestellt wurde. Das Schema der Transkription zeigt, wie sich der DNA-Doppelstrang öffnet und sich mit Hilfe des Enzyms RNA-Polymerase ein RNA-Gegenstrang bildet. Die Transkription beginnt am Promotor und endet am Terminator.

Translation nach oben

Schema der Translation

Dieses phantastische, von Matthias M. unter die Creative-Commons-Lizenz gestellte und damit kostenlos für unser Lernen verfügbare Schema der Translation erklärt im Grunde schon alles, was wir über die Translation wissen müssen. Eine tRNA nach der anderen versucht, am Ribosom mit ihrem aus 3 Nukleotiden bestehenden Anticodon an drei komplementäre Nucleotide der mRNA zu binden. Wenn ein Anticodon passt, dann wird die an der anderen Seite der tRNA hängende Aminosäure an die wachsende Aminosäurekette angehängt. Unten sieht man in der anonym unter die Creative-Commons-Lizenz gestellten Skizze eine tRNA mit einem grauen Anticodon unten und einer gelben Andockstelle für eine Aminosäure rechts oben.

schematische Zeichnung einer tRNA

Aufgaben und Antworten zur Erarbeitung der Seiten 76-77 nach oben

Diese Tabelle zeigt Aufgaben und Antworten zur Erarbeitung der Seiten 76-77, auf denen es um Transcription und Translation geht.
1Fasse in einem Satz zusammen, wie der Genotyp den Phänotyp mitbestimmt!
Der als Bauplan in der DNA codierte Genotyp beeinflusst den Phänotyp durch die Übersetzung der Nucleotidsequenz (aktivierter Gene) der DNA in die Aminosäuresequenzen von Proteinen.
2Definiere im Sinne des Materials die genetischen "Fachbegriffe": a. Basentriplett, b. Codon, c. Gen, d. genetischer Code, e. Proteinbiosynthese, f. Transkription, g. mRNA, h. Promotor, i. RNA-Polymerase und j. DNA-Matrizenstrang!
  1. Basentriplett oder Codon nennt man die Kombination dreier organischer Nukleobasen in der DNA, die eine Aminosäure eines Proteins codiert.
  2. Codon nennt man die Kombination dreier organischer Nukleobasen in der DNA und auch in der mRNA, die eine Aminosäure eines Proteins codiert.
  3. Die Definition des Gens in unserem Buch ist gründlich misslungen. Demnach gehörten zu Protein-codierenden Genen außer allen codierenden Tripletts nur die Tripletts mit Stoppsignalen (Stoppcodons). Das Startcodon ist anders als von Buch dargestellt gleichzeitig codierend.
  4. Die Darstellung des Buches macht nicht klar, ob der genetische Code nur die Codierung der Aminosäuren durch die Codons ist, oder auch die Codierung der Aminosäuresequenz eines Proteins durch die Reihenfolge der Nukleobasen im codierenden Bereich eines Gens. In der Genetik üblich ist das Verständnis, dass der genetische Code die Regel (Verschlüsselung) ist, nach der in Nukleinsäuren befindliche Dreiergruppen aufeinanderfolgender Nukleobasen (Tripletts oder Codons) in Aminosäuren übersetzt werden.
  5. Proteinbiosynthese nennt man die Prozesse zur Herstellung eines Proteins von der Transcription bis zur Translation.
  6. Transcription beschreibt unser Buch mit ungeschickter Wortwahl und auch inhaltlich nicht wirklich korrekt als Umschreiben der DNA in die mRNA. In Wirklichkeit entsteht in eukaryotischen Zellen bei der Transcription keine mRNA, sondern sogenannte primäre oder Prä-RNA, die anschließend zu mRNA weiterverarbeitet werden kann. Transkribiert werden außerdem nicht nur Protein-codierende Gene, sondern unter anderem auch Gene für rRNAs, tRNAs und verschiedene regulatorisch wirksame RNAs.
  7. mRNA ist eine als Botenstoff fungierende RNA-Kopie von Gen-Sequenzen und bringt den jeweiligen Bauplan aus dem Zellkern zu den Ribosomen in Cytoplasma.
  8. Promotor nennt das Buch eine Sequenz direkt vor einem Gen. An dieser Stelle bindet (unter anderem) die RNA-Polymerase, welche angeblich die mRNA synthetisiert.
  9. RNA-Polymerase heißt ein Enzym (eigentlich ein Enzym-Komplex), das DNA-Doppelstränge öffnet und dann nach der Vorlage des einen der beiden DNA Stränge eine primäre RNA synthetisiert, welche das Buch fälschlich mRNA nennt.
  10. DNA-Matrizenstrang nennt man den DNA-Strang, an dem die RNA-Polymerase einen komplementären RNA-Strang synthetisiert, den das Buch fälschlich mRNA nennt.
3Versuche eine Interpretation der Codon-Sonne und erkläre, warum dies mit den vom Buch gelieferten Informationen gar nicht möglich ist!
Zur Interpretation dieser fehlerhaften Version einer Codonsonne fehlt die Information, ob die Codons von innen nach außen oder von außen nach innen gelesen werden müssen. Korrekt gezeichnete Codon-Sonnen zeigen dies durch ein 5' in der Mitte und 3'-Markierungen außen. Sie müssen also von innen nach außen gelesen werden.
4Betrachte nach Erfragen der fehlenden Information vom Biologielehrer erneut die Codon-Sonne und untersuche, was sie uns über die Codierung der Aminosäuren verrät!
  1. Es gibt von nur einem Codon codierte Aminosäuren (Methionin und Tryptophan) sowie Aminosäuren, die von bis zu 6 Tripletts codiert werden.
  2. Wenn es für eine Aminosäure mehrere Codons gibt, dann unterscheiden sich diese selten an den ersten beiden, aber oft an der letzten Position.
  3. Die Codon-Sonne bezieht sich nicht auf DNA, sondern auf mRNA mit der Base Uracil.
5Beschreibe die im Text und grafisch im Buch dargestellte Translation Schritt für Schritt!
An einem Ribosom bindet das passende Anticodon einer tRNA an ein Codon der vom Ribosom gebundenen mRNA. Direkt neben dieser tRNA ist bereits eine weitere tRNA an die mRNA und das Ribosom gebunden. Soweit wie möglich entfernt von den Anticodons hängen an beiden tRNAs Aminosäuren, die nun eng benachbart sind und vom Ribosom miteinander verbunden werden. Dabei löst sich die Aminosäure von der schon länger gebundenen tRNA und hängt nun an der Aminosäure der neu gebundenen tRNA. Nachdem sie ihre Aminosäure verloren hat, löst sich die schon länger gebundene tRNA ab und das Ribosom rückt um 3 Nukleobasen vor, sodass die tRNA mit der wachsenden Aminosäurekette auf den freigewordenen Platz am Ribosom vorrückt. Jetzt ist neben dieser tRNA wieder ein Platz am Ribosom frei und eine weitere tRNA bindet mit ihrem passenden Anticodon an die mRNA. Damit wiederholt sich der Zyklus und das passiert solange, bis eine tRNA ohne Aminosäure bindet und damit einen Kettenabbruch bewirkt.

plumper Versuch, die Transkription in Schritten zu erklären nach oben

Schema der Transkription width=
Dieses sehr simmple, ästhetisch unbefriedigende Schema habe ich selbst erstellt. Es soll das Verständnis der Transkription erleichtern, indem es die Sache schrittweise erklärt.

mein einfaches Kreislaufschema der Translation nach oben

Schema der Translation
Dieses Schema der Translation habe ich selbst gezeichnet. Es soll das Verständnis der Translation erleichtern, indem es das Anhängen einer Aminosäure als Kreislauf zeigt und dabei auch nachvollziehbar macht, wie dabei das Ribosom um 1 Triplett an der mRNA entlang wandert. Die tRNAs werden ganz auf das Anticodon und die Aminosäure-Bindungsstelle reduziert dargestellt, um die Sache übersichtlich zu halten.

Die Zellwand - Seite 36 nach oben

Diese Tabelle zeigt Aufgaben und Antworten zur Erarbeitung der Seite 36, auf der es um pflanzliche Zellwände geht.
1Gib an, welche Zellen eine Zellwand besitzen, welche Zwecke sie erfüllt und aus welchem Baustoff sie besteht!
Pflanzenzellen besitzen eine Zellwand. Sie verhindert ein Platzen der Zelle, wenn sie sich prall mit Wasser füllt. Der wichtigste Bautoff der Zellwand ist die Cellulose.
2Beschreibe Cellulose, Elementarfibrillen, Micellen und Mikrofibrillen!
Cellulose ist ein unverzweigtes Polysaccharid aus 1.000 - 10.000 Glucose-Molekülen. Elementarfibrillen nennt man Bündel aus 50-100 Zellulosefäden. Innerhalb dieser Elementarfibrillen gibt es mehrere Micellen genannte Abschnitte, in denen die Zellulosefäden parallel verlaufen, während sie zwischen den Micellen durcheinander laufen und auf diese Weise ein Auseinanderfallen der Elementarfibrillen verhindern. Bündel von jeweils 15-20 Elementarfibrillen nennt man Mikrofibrillen.
3Vergleiche die Grundsubstanzen, in die das Cellulosegerüst eingebettet sein kann!
Das Cellulosegerüst kann in eine Grundsubstanz aus quellbaren Polysacchariden und einem geringeren Anteil von Proteinen eingebettet sein. Bei der Verholzung wird diese weichere Grundsubstanz durch die erheblich härtere, zug- und druckfestere Grundsubstanz Lignin ersetzt.
4Erkläre die Zellwandverdünnung bei wachsenden Zellen!
Wenn eine noch wachsende Pflanzenzelle eine neue Zellwand bildet, dann werden die Mikrofibrillen in scheinbar regellosen Kuven angelegt. Man nennt das Streutextur und sie macht die Zellwand dehnungsfähig, weil die Kurven gerade gezogen werden können. Dadurch nimmt die Fläche der jungen Zellwand zu, während ihre Dicke abnimmt.
5Entwickle eine Hypothese zur Erklärung des mehrschichtigen Aufbaus der Zellwand!
Die Verdünnung der immer stärker gestreckten Primärwand wird ausgeglichen durch das Aufbringen immer neuer Fibrillennetze. Die Unterschiedlichkeit der Zellwandschichten kommt dadurch zustande, dass die Schichten umso weniger gedehnt werden, je später in der Wachstumsphase sie angelegt werden. Sie müssen deshalb nicht mehr als Streutextur angelegt werden, sondern werden gleich in Form parallel verlaufender Mikrofibrillen produziert, wobei die verschiedenen Schichten unterschiedlich ausgerichtet sind, um die Stabilität zu erhöhen.

Zellen im Vergleich - Eucyten und Protocyten - Seite 37 nach oben

Diese Tabelle zeigt Aufgaben und Antworten zur Erarbeitung der Seite 36, auf der es um pflanzliche Zellwände geht.
1Erkläre die Begriffe Eucyte und Protocyte (Procyte)!
Das Herumeiern unseres Buches lässt schon ahnen, dass auch diese biologischen Begriffe nicht klar definiert sind. Als Eucyte bezeichnet man einerseits eine einzelne Eukaryoten-Zelle und andererseits den Zelltyp Eukaryoten-Zelle bzw. die Organisationsform der Eukaryoten-Zellen. Entsprechend kann mit Protocyten oder Procyten ein einzelner Prokaryot oder der Zelltyp bzw. die Organisationsform der Prokaryotenzelle gemeint sein.
2Nenne die Unterschiede zwischen Procyte und Eucyte!
Die Eucyte unterscheidet sich von der Procyte durch ein im Durchschnitt mehr als 1000-fach größeres Volumen, den Besitz eines membranbegrenzten Zellkerns und anderer Organellen sowie durch größere Ribosomen. Procyten besitzen außerdem im Gegensatz zu tierischen Zellen Zellwände, die aber im Gegensatz zu pflanzlichen Eucyten aus einem Murein-Sacculus bestehen. Manche Bakterien besitzen zudem Plasmide.
3Überprüfe die Behauptung unseres Buches, den Eukaryoten stünden die Bakterien und Blaualgen (Cyanobakterien) gegenüber!
Der Eucyte stehen nicht Bakterien und Blaualgen gegenüber, sondern die Procyte oder Protocyte. Und bei den Procyten unterscheidet man nicht zwischen Bakterien und Blaualgen, sondern zwischen Bakterien und Archaeen. Cyanobakterien gehören (wie schon der Name sagt) zu den Bakterien und werden fachsprachlich nicht mehr Blaualgen genannt, weil nur Eukyryoten zu den Algen gezählt werden.
4Ermittle größenordnungsmäßig den Faktor, um den das menschliche Genom größer ist als das von Escherichia coli!
Mit einer Länge von fast 2 Metern ist das menschliche Genom rund 2000 mal größer als das von Escherichia coli.
5Definiere Kernäquivalent, Nucleoid und Plasmid!
Kernäquivalent oder Nucleoid nennt man das stark aufgeknäuelte, ringförmige Bakterien-Chromosom, das zwar nicht von einer Kernhülle umgeben ist, aber auch völlig gleichmäßig im Cytoplasma verteilt. Plasmide sind kleine ringförmige DNA-Doppelstränge, auf denen nur wenige Gene Platz finden.
6Entwickle eine Hpothese hinsichtlich eines denkbaren Vorteils von Plasmiden für Bakterien!
Weil die Plasmide so klein sind, lassen sie sich besonders leicht von Bakterium zu Bakterium übertragen. Solcher Austausch von Bauplänen beschleunigt enorm die Bakterienevolution und erschwert uns Menschen die Bekämpfung gefährlicher Bakterien mit Antibiotika.
7Vergleiche die Zellmembran der Procyte mit der Zellmembran und der passensten Organellen-Membran der Eucyte!
Wie die Zellmembran der Eucyte ist auch die Zellmembran der Procyte semipermeabel, aber die Atmungsenzyme und die Einstülpungen zum Zweck der Obeerflächenvergrößerung zeigen auch eine große Ähnlichkeit der Procyten-Zellmmbran mit der inneren Membran eines Mitochondriums.

DNA-Replikation nach oben

Jedes Lebewesen besitzt wenigstens zeitweise mindestens eine Zelle. Jede noch teilungs- oder wenigstens noch wachstumsfähige Zelle benötigt einen Bauplan. Besitzt eine Zelle genau einen Bauplan und sollen bei einer Zellteilung beide Tochterzellen einen Bauplan erhalten, dann muss vor oder während der Zellteilung der Bauplan verdoppelt werden. Besteht der Bauplan aus doppelsträngiger DNA, dann werden zu diesem Zweck die beiden DNA-Stränge getrennt. Freie Nukleotide binden an passenden Basen beider DNA-Einzelstränge und werden zu komplementären Gegensträngen miteinander verbunden. Durch diesen im Prinzip einfachen Mechanismus entstehen aus einem DNA-Doppelstrang zwei identische Kopien. Das folgende, von Mariana Ruiz dankenswerterweise der Menschheit geschenkte Schema deutet trotz immer noch starker Vereinfachung an, dass die DNA-Replikation, im Detail natürlich doch wieder nicht ganz so einfach ist. Man folge daher bei sämtlichen unbekannten Begriffen bitte den auch in den Beschriftungen funktionierenden Links in das Glossar.

DNA-Replikation Primase RNA-Primer Ligase DNA-Polymerase Okazaki-Fragment DNA-Polymerase Helicase Topoisomerase Einzelstrang-bindendes Protein

Drei Hypertext-Arbeitsblätter zu den Seiten 68, 69 und 71 unseres Buches nach oben

Zur aktiven, selbständigen Erarbeitung des Zellzyklusses mit Interphase und Mitose habe ich drei Hypertext-Arbeitsblätter zu den Seiten 68, 69 und 71 unseres Buches.

Der Zellzyklus nach oben

Nach der DNA-Replikation muss nur noch dafür gesorgt werden, dass jede Tochterzelle eine Kopie erhält. Bei sich alle 20 Minuten teilenden Bakterien werden allerdings die gerade als Ergebnis einer noch laufenden DNA-Replikation entstehenden Tochterchromosomen schon wieder einer weiteren Replikation unterzogen, damit die Vermehrung der Bakterien-Chromosomen mit der extremen Zellteilungsrate mithalten kann.

Bei Eukaryoten ist die Sache komplizierter. Im vollständigen Zellzyklus der Eukaryoten unterscheidet man meistens nicht nur zwischen den beiden Phasen Wachstum (Interphase) und Zellteilung. Sinnvoll ist zunächst innerhalb der Zellteilung eine Unterscheidung zwischen Kernteilung (Mitose) und Plasmateilung (Cytokinese), weil auf eine Kernteilung nicht immer eine Plasmateilung folgt. Die normale Mitose wird traditionell in Prophase, (Prometaphase), Metaphase, Anaphase und Telophase unterteilt, während man in der Wachstumsphase zwischen G1-, S- und G2-Phase unterscheidet. In der G1-Phase wächst eine Zelle ungefähr zur ursprünglichen Größe heran. Dann folgt die S-Phase, in der die DNA-Replikation, stattfindet. Ihr folgt die G2-Phase als Pause zwischen der Verdopplung des Bauplans und der Kernteilung. Eingeleitet wird die Kernteilung mit der Prophase, in der die Chromosomen zu dicken, aber kurzen und damit transportfähigen Einheiten kondensieren (sich zusammenballen). In dieser Phase sieht man, dass jedes Chromosom aus zwei Schwesterchromatiden besteht. Das sind zwei nahezu identische Kopien des selben Chromosoms, die noch am Centromer aneinander gebunden sind und deshalb beide als Bestandteile eine 2-Chromatiden-Chromosoms bezeichnet werden. In der Prometaphase wird die Kernhülle aufgelöst und die Mikrotubuli des Spindelapparates wachsen bis zu den Centromeren der Chromosomen. In der Metaphase werden die Chromosomen vom Spindelapparat alle in eine Ebene in der Mitte der Zelle bugsiert, die man Äquatorialebene nennt. In der Anaphase zieht der Spindelapparat die Schwesterchromatiden der 2-Chromatiden-Chromosomen auseinander bis an die gegenüber liegenden Pole der Zelle. Weit von einander entfernt liegt nun in beiden Hälften einer Zelle von jedem Chromosom jeweils ein Chromatid und man bezeichnet deshalb die Chromosomen von nun an bis zur nächsten S-Phase als 1-Chromatid-Chromosomen. In der Telophase löst sich der Spindelapparat auf, an den beiden Zellpolen bilden sich um die 1-Chromatid-Chromosomen herum neue Kernhüllen und in diesen dekondensieren die Chromosomen wieder. Das bedeutet, dass sie wieder ganz lang und dünn werden, sodass man keine einzelnen Chromosomen mehr erkennen kann. Man sieht nur noch eine einzige Masse, die aufgrund ihrer Färbbarkeit Chromatin nennt. Um den Zellzyklus abzuschließen, muss nun nur noch die Plasmateilung (Cytokinese) erfolgen, die aus einer großen zwei kleine Zellen macht. Dazu werden in der Äquatorialebene zwei neue Zellmembranen und bei Pflanzen zusätzlich zwei Zellwände aufgebaut.

Der Zellzyklus bei Eukaryoten
Zellzyklus

  • G1 = G1-Phase
  • S = S-Phase
  • G2 = G2-Phase
  • P = Prophase
  • M = Metaphase
  • A = Anaphase
  • T = Teleophase

Ich habe dieses simple Schema selbst gezeichnet und stelle es gemeinfrei.

weiterführende Quellen nach oben

Der WDR bietet eine Internetseite an, auf der man zum Ansehen und Nachlesen in einem Archiv nach einer ganzen Reihe auch für Schülerinnen und Schüler gut geeigneter Fernseh-Dokumentationen suchen kann. Hier sind die Ergebnisse (3 Seiten) einer Suche mit dem Suchwort Zelle.

Julie A. Theriot ist Professorin an der Stanford University School of Medicine. Von ihr findet man Vorträge vor allem über das Zytoskelett und die Bewegungsapparate in Zellen bei YouTube und iBiology.

Bei YouTube und iBiology findet man mehrere Vorträge über das Zytoskelett und Motor Proteine von Prof. Ronald David Vale.

Von Prof. Satyajit Mayor findet man bei YouTube und iBiology mehrere Vorträge über Membrane Rafts.

Prof. Mina Bissell erforscht die Bedeutung der extrazellulären Matrix von Zellen für deren Differenzierung und Entartung. Man findet einige ihrer Vorträge bei YouTube und iBiology

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Youtube macht Lernenden viele interessante Lernvideos zu biologischen Themen zugänglich. Viele auf Deutsch:

Sehr viel mehr Biologie-Videos gibt es auf Englisch:

XVIVO Scientific Animation translates complex science into compelling medical media:

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