Zellbiologie

Evolution der Photosynthese Teil 3/4: Calvinzyklus und Rubisco

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Text als pdf Der Calvin-Zyklus ist das Herzstück der Photosynthese – der Prozess, durch den Pflanzen, Algen und viele Bakterien CO2 in Zucker verwandeln. Doch er ist weit mehr als nur Biochemie: Er ist das Ergebnis von Milliarden Jahren Evolution. Im Zentrum steht das Enzym RubisCO, eines der ältesten und häufigsten Proteine der Erde, das … Weiterlesen

Evolution der Photosynthese Teil 2/4: Lichtreaktion

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Text als pdf Einführung Die oxische Photosynthese gehört zu jenen autotrophen Stoffwechselreaktionen, die die Welt und die Evolution des Lebens am nachträglichen verändert haben.  Mit Hilfe des Sonnenlichts können photosynthetisch aktive Lebewesen Wasser spalten und die daraus gewonnene Energie für die Herstellung von organischen Molekülen verwenden. Als Abfallprodukt der Wasserspaltung entsteht der freie Sauerstoff, welcher … Weiterlesen

Evolution der Photosynthese Teil 1/4: Die Geschichte des Sauerstoffs

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Eine Welt ohne Photosynthese Text als pdf Wie sähe eine Welt ohne Photosynthese aus (Grundlagenliteratur zur Photosynthese, siehe Munk 2008, 2018, Nelson & Cox 2010, Campbell et al. 2016, Kadereit et al. 2021, Madigan et al. 2020, Weiler et al. 2008, Alberts et al. 2024, Savada et al. 2019)? Die Welt wäre erstmal nicht grün. … Weiterlesen

Entstehung des Lebens Teil 15: Von der RNA-Welt zur DNA-Welt

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Die RNA-Welt und Spiegelmans Monster Text als pdf Mitte der 1980er Jahre machte man die überraschende Entdeckung, dass RNA sich wie ein Katalysator verhält. RNA bildet nur selten eine Doppelhelix, stattdessen aber kleiner kompliziert geformte Moleküle, die sich gegenseitig einander zur Katalyse bereitstellen. In einer hypothetischen RNA-Welt übernimmt diese gleichzeitig die Rolle der Proteine und … Weiterlesen

Entstehung des Lebens Teil 13: Evolution der ATP-Synthase

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ATP ist sowas wie die Währung des Stoffwechsels (Abb. 1). Ohne ATP läuft nichts. ATP steht für Adenosin-Tri-Phosphat und speichert quasi die Energie, die wir zum Leben brauchen. Synthetisiert wird ATP mittels der ATP-Synthase, einem Transmembranprotein. ATP ist eine energiereiche Verbindung, deren Bildung der Zufuhr von Energie bedarf. Um diese Energie aufzubringen, koppelt die ATP-Synthase … Weiterlesen

Playlist Molekulare Zellbiologie

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CO2, Photosynthese, Pflanzenwachstum und Klimawandel

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Wir haben uns intensiv mit den biochemischen Grundlagen der Photosynthese befasst. Dort lernten wir, dass Pflanzen aus CO2 und Wasser Zucker und Sauerstoff (O2) herstellen können.

Nun wird von einigen „Klima-Querdenkern“ gerne folgende Behauptung aufgestellt:

„CO2 ist kein Schadstoff. Es ist wesentlich für alles Leben auf der Erde. Die Photosynthese ist ein Segen. Mehr CO2 schont die Natur und die Erde: Zusätzliches CO2 in der Luft hat das Wachstum der globalen Pflanzenbiomasse gefördert. Es ist auch gut für die Landwirtschaft und erhöht die Ernteerträge weltweit.“

CO2 ist Pflanzennahrung. Das stimmt. Ist CO2 ein Schadstoff?

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Molekularbiologie der Zelle Teil 17: Zelltod und Krebs

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Wir wissen wie Zellen sich vermehren. Sie können aber auch sterben.

Zellen eines vielzelligen Lebewesens können auf zwei Weisen absterben. Die erste Art von Zelltod ist die Nekrose (unkontrollierter Zelltod); sie tritt auf, wenn Zellen oder Gewebe durch Gewalteinwirkung, Gift, Sauerstoffmangel oder Nährstoffmangel geschädigt werden. Nekrotische Zellen schwellen häufig an und platzen, sodass ihr Inhalt in den Extrazellularraum freigesetzt wird und eine Entzündung hervorrufen kann.

Die Apoptose (programmierter Zelltod) ist eine genetisch vorgegebene Abfolge von Ereignissen, die im Verlauf normaler Entwicklungsprozesse, aber auch in erwachsenen (adulten) Geweben stattfinden.

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Molekularbiologie der Zelle Teil 16: Zellgewebe und Zellverknüpfung

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Lebewesen können wie gesagt als Einzeller oder Mehrzeller vorkommen. Wenn viele Zellen zusammen einen Verbund eingehen, spricht man von Gewebe. Die meisten Tiere, Pilze und Pflanzen sind Vielzeller, bestehen also aus einem Verband mehrerer Zellen.

Gewebetypen bei Tierzellen

Ein Zellgewebe ist eine Ansammlung differenzierter Zellen einschließlich ihrer extrazellulären Matrix.

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Molekularbiologie der Zelle Teil 15: Endoplasmatisches Reticulum, Golgi Apparat, Lysosom

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Wir haben verschiedene Zellorganellen schon kennengelernt, allen voran Mitochondrien und Chloroplasten bei Zellatmung und Photosynthese, den Zellkern bei der DNA und die Grundlagen der Biomembranen.

In diesem Beitrag wenden wir uns weiteren Zellorganellen zu, vornehmlich dem endoplasmatischen Reticulum und dem Golgi-Apparat.

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Molekularbiologie der Zelle Teil 14: Meiose, Rekombination und Kernphasenwechsel

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Im letzten Beitrag befassten wir uns mit der Mitose, bei dem das genetische Material gleichmäßig auf die Tochterzellen weitergegeben wird.

Wir erinnern uns: Menschen haben 46 Chromosomen: 44 Autosomen und die zwei Gonosomen, auch Geschlechtschromosomen genannt (Bei Frauen XX und beim Mann XY). Genauer gesagt haben wir 23 homologe Chromosomenpaare, d. h. jedes Chromosom kommt doppelt vor. Man spricht von diploid. Die Ausnahme stellt natürlich das Y-Chromosom des Mannes dar, welches nicht homolog zum X-Chromosom ist; dennoch bilden beide das Paar der Geschlechtschromosomen. Der diploide Chromosomensatz kommt zustande, weil bei der sexuellen Vermehrung Eizelle und Spermazelle miteinander verschmelzen, ein Vorgang den man als Befruchtung bezeichnet. Eizelle und Spermazelle sind die Keimzellen und diese haben nur einen halben Chromosomensatz, man spricht von haploid. Wie dieser halbe Chromosomensatz entsteht, wird in diesem Beitrag geklärt.

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Molekularbiologie der Zelle Teil 13: Mitose und Zellzyklus

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Mitose und Zellzyklus

Wir wissen nun wie unsere DNA vermehrt wird über einen Prozess, der sich Replikation nennt. Hier werden wir uns mit der Vermehrung von Zellen befassen.

Grundsätzlich: Alle Zellen stammen von Zellen ab. Die Zellteilung ist bei allen Lebewesen Grundvoraussetzung für die Reproduktion (Fortpflanzung) und bei vielzelligen Organismen zudem für Wachstum, Regeneration und Reparatur. Für eine jede Zellteilung sind vier Ereignisse erforderlich:

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Molekularbiologie der Zelle Teil 12: Zellkommunikation

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Zellkommunikation

Alle Zellen verarbeiten ihre Informationen aus ihrer Umwelt. Ein Signal kann aus der Umgebung des Organismus stammen, wie etwa der Geruch einer weiblichen Motte, die bei Dunkelheit einen Paarungspartner anlockt. Ein Signal kann aber auch von innerhalb des Organismus kommen, wie bei Zellen der Leber, wo von Zellen anderer Organe gebildete Signalmoleküle die Aufnahme oder die Freisetzung von Glucose steuern. Natürlich bedeutet das reine Vorhandensein eines Signals noch nicht, dass eine Zelle darauf reagiert. Damit eine Zelle auf ein Signal reagieren kann, benötigt sie ein spezifisches Rezeptorprotein, welches das Signal aufnimmt; außerdem ist ein Signalübertragungsweg (Signaltransduktionsweg) nötig, damit die aufgenommene Information zelluläre Prozesse auch beeinflussen kann. Ein Signaltransduktionsweg ist eine Abfolge von molekularen Vorgängen und chemischen Reaktionen, die zu einer Reaktion bzw. einer Antwort der Zelle auf ein Signal führen. Signaltransduktionswege variieren im Detail sehr stark, ihre Grundstruktur ist ihnen jedoch gemeinsam: Ein solcher Weg beginnt mit einem Signal und dessen spezifischem Rezeptor und mündet in eine Reaktion. Signalmoleküle lassen sich in drei Typen einteilen (Abb. 1):

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Molekularbiologie der Zelle Teil 11: Genregulation und Epigenetik

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In den vorherigen Beiträgen haben wir den Bau der DNA kennengelernt und ihre Rolle bei der Zellteilung und der Herstellung von Proteinen. Die menschliche Zelle hat aber über 20.000 Gene und nicht jede Zelle unseres Körpers ist gleich. Muskelzellen brauchen andere Proteine als Nervenzellen usw. Es wäre ziemlich ineffizient, wenn alle Gene gleichzeitig in jeder Zelle exprimiert werden. Es muss also ein System vorhanden sein, dass Gene nur in den Zellen exprimiert werden, wo sie benötigt werden und auch zum richtigen Zeitpunkt. Dies wird mittels der Genregulation gesteuert. Je früher die Zelle in den Prozess der Proteinsynthese eingreift, umso weniger Energie und Aminosäuren verschwendet sie.

 

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Molekularbiologie der Zelle Teil 10: Von der DNA zum Protein

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In unserem Kapitel über den Aufbau der DNA stellten wir fest, dass diese Informationen für den Aufbau von Proteinen enthält, die Gene. Proteine haben wir ebenfalls kennengelernt. Proteine können quasi gesehen als Genprodukte verstanden werden. Werden Gene abgelesen und in Proteine übersetzt spricht man auch von Genexpression. Das zugehörige Verb lautet exprimieren (Abb. 1). Die Gesamtheit der Gene wird als Genotyp bezeichnet, die Merkmale für die sie codieren – als Phänotyp.

 

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Molekularbiologie der Zelle Teil 9: DNA-Replikation

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Wir werden alle älter, das ist nicht zu verhindern. Dass wir älter werden, hat z. T. auch mit unserer DNA zu tun, bzw. ihrer Vermehrung, mit der wir uns hier befassen werden.

Wenn sich eine Zelle teilt, so muss ihr Genom auch an die Tochterzellen weitergegeben werden. Damit dies geschehen kann, muss die DNA verdoppelt werden. Als Replikation bezeichnet man einen zellulären Vorgang, bei dem eine DNA-Doppelhelix mithilfe spezifischer Enzyme identisch verdoppelt wird. Nur unter dieser Voraussetzung entstehen bei einer nachfolgenden Zellteilung Tochterzellen mit gleicher genetischer Ausstattung.

 

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Molekularbiologie der Zelle Teil 8: DNA, Chromosomen, Genom

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Historisches

Der Tübinger Forscher Friedrich Miescher gilt als der Entdecker der Nukleinsäuren. Er isolierte in den Sechziger- und Siebzigerjahren des 19. Jahrhunderts aus tierischen und menschlichen Geweben eine Substanz, die er Nuklein nannte, da er diese Substanz aus dem Nukleus, also dem Zellkern, isoliert hatte.

Schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde postuliert, dass Nukleinsäuren Träger von Erbinformationen sind.

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Molekularbiologie der Zelle Teil 7: Photosynthese

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Wir befassten uns im letzten Beitrag mit der Zellatmung. Bei der Zellatmung wird aus Zucker mit Hilfe von Sauerstoff Energie in Form von ATP gespeichert. Als Produkte entstehen dabei CO2 und Wasser.

In diesem Beitrag befassen wir uns mit der Photosynthese. Diese ist quasi gesehen die umgekehrte Richtung der Zellatmung: Aus CO2 und Wasser werden Zucker und Sauerstoff.

Die entsprechende Summenformel der Photosynthese lautet: 12 H2O +6 CO2 → C6H12O6 +6 O2 +6 H2O. Eine vereinfachte, verkürzte Formel reduziert die Anzahl der Wassermoleküle, da sie sich mathematisch rauskürzen lassen: 6 H2O +6 CO2 → C6H12O6 +6 O2 (vgl. Abb. 1).

 

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Molekularbiologie der Zelle Teil 6: Zellatmung

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In einem der vorherigen Beiträge befassten wir uns mit den Grundlagen der chemischen Reaktion und den Enzymen, sowie dem Adenosintriphosphat. An dieser Stelle wird es Zeit sich mit einigen konkreten chemischen Reaktionen in unserer Zelle zu befassen.

Wir haben gelernt, dass Kohlenhydrate, zu denen u. a. Zucker und Stärke gehören, unsere zentrale Energiequelle sind, auf der fast alle Stoffwechselprodukte beruhen. Doch wie schaffen es unsere Zellen aus diesen Kohlehydraten ihre Energie zu gewinnen?

Dies geschieht mittels der Zellatmung.

Wir haben gelernt, chemische Reaktionen durch eine Reaktionsgleichung darzustellen. Wie würde diese Reaktionsgleichung bei der Veratmung von Glucose ausschauen?

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Molekularbiologie der Zelle Teil 5: Biomembranen

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Eigentlich war es Ziel sich an dieser Stelle mit der Zellatmung zu befassen. Doch vorher muss ein anderes Thema behandelt werden: Der Aufbau von Biomembranen. Dieser ist die Grundlage dafür, gewisse Prozesse der Zellatmung zu verstehen. Wir besprechen nicht nur den Aufbau von Membranen, sondern auch die Grundlagen des Stofftransports und der Osmose.

Sie bilden eine Barriere und grenzen einerseits die Zelle nach außen ab (=Zellmembran). Andererseits umgeben sie die Zellorganellen.

 

Biomembranen sind eine Doppelschicht aus Phospholipiden, mit deren Aufbau wir uns schon im Beitrag über die Biomoleküle befasst haben (Abb. 1).

 

 

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