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.
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).
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?
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).
Im vorherigen Beitrag haben wir uns die verschiedenen Biomoleküle angesehen: Proteine, Kohlenhydrate und Lipide. Sie bilden den Grundaufbau unserer Zellen und liefern uns die Energie für unsere Lebenserhaltung. Sie sind also essentieller Bestandteil des Stoffwechsels.
Als Stoffwechsel oder Metabolismus bezeichnet man die gesamten chemischen und physikalischen Vorgänge der Umwandlung chemischer Stoffe bzw. Substrate in Zwischenprodukte und Endprodukte im Organismus von Lebewesen.
Chemisch betrachtet sind Stoffwechsel chemische Reaktionen. Eine chemische Reaktion ist ein Vorgang, bei dem eine oder meist mehrere chemische Verbindungen in andere umgewandelt werden und Energie freigesetzt oder aufgenommen wird.
Zwei wichtige Begriffe hierbei sind Oxidation und Reduktion. Beide gehen immer mit einer Übertragung von Elektronen einher. Unter einer Reduktion versteht man die Aufnahme von Elektronen und eine Erniedrigung der Oxidationszahl.
Im letzten Beitrag dieser Reihe befassten wir uns mit Atomen, dem Periodensystem und wie sich Atome miteinander verbinden. Dieses Mal geht es ans Eingemachte, nämlich um unsere Nährstoffe. Wir essen ja eine ganze Menge unterschiedlichsten Kram. Doch alles was wir Essen und uns die Energie gibt, die wir brauchen, um zu überleben – oder dieses Video zu schauen, lässt sich in drei Stoffgruppen einteilen: Proteine, Kohlenhydrate und Lipide.
Nachdem wir nun so einiges über das Wasser erfahren haben, wenden wir uns größeren Molekülen zu. Abgesehen vom Wasser sind die meisten Moleküle in unserem Körper organische Verbindungen. Aber was heißt organische Verbindung überhaupt? Das sind Verbindungen, die Kohlenstoffatome enthalten. Und tatsächlich: alle größeren Moleküle und Naturstoffe haben das Element Kohlenstoff: ob Zucker, ob Eiweiße oder Fette. Doch warum ausgerechnet Kohlenstoff?
Im ersten Kapitel befassten wir uns mit dem grundlegenden Aufbau der Zelle. Dort erwähnte ich, dass wir uns danach mit den biochemischen Grundlagen befassen werden. Doch vorher müssen wir sogar noch weiter ins Detail gehen. Wir starten nämlich mit den chemischen Grundlagen. Etwas, was vielen nicht behagt und manche sogar eine gewisse Abneigung verspüren. Aber diese nicht-biologischen Grundlagen sind insofern wichtig, um später bestimmte Stoffwechselprozesse leichter verstehen zu können.
Keine Angst: Ich werde mich auch hier nicht zu weit aus dem Fenster ragen und nur das wichtigste erklären.
In diesem Teil lernen wir, wie Atome aufgebaut sind und sie sich miteinander verbinden, etwas über das Periodensystem der Elemente und zum Ende wird es ein wenig nass, denn es geht ums Wasser.
Doch fangen wir ganz klein an. Wir haben gelernt, dass die Zelle die kleinste Einheit des Lebens ist. Doch in der Welt der Materie geht es natürlich kleiner. Zellen bestehen aus verschiedenen Verbindungen: Wasser, Proteine, Fette, Zucker, Vitamine usw. usf. Hierbei sprechen wir von Molekülen. Moleküle sind wiederrum aus Atomen zusammengesetzt.
Das Atom ist jeweils der kleinste Teil der Materie eines Elementes. Eine lange Zeit nahm man an, dass Atome der kleinste überhaupt existierende Teil der Materie sind. Atom heißt nämlich: unteilbar. Heute wissen wir natürlich, dass Atome ihrerseits aus subatomaren Teilchen bestehen. Die für uns bekanntesten subatomaren Teilchen und die, die für unsere Videoreihe völlig ausreichen, sind die Protonen und Neutronen, sowie die Elektronen (Abb. 1).
Mit diesem Artikel starte ich eine Artikelserie, die sich mit dem Aufbau und Funktionen der zelle befasst. Die Zellbiologie, auch Cytologie genannt, ist ein Teilgebiet der Biologie, welches die biologischen Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen versucht. Die Zellbiologie hat engste Kontakte mit anderen biologischen Disziplinen, wie der Biochemie, Molekularbiologie, Zoologie und Botanik. In dieser Videoreihe wird es nicht anders aussehen. Mein Wunsch ist es verschiedenste Prozesse, die in einer Zelle geschehen darzustellen. Ihr erfahrt etwas über den Aufbau der Zelle, über Zellatmung, Photosynthese und andere Stoffwechselprozesse sowie die gesamten Vorgänge der Molekulargenetik, wie Aufbau und Funktion der DNA, die Proteinbiosynthese, Genregulation etc.
Unser Planet hat eine schier unendliche Anzahl verschiedenster Lebensformen, die die Materie aus der Umgebung aufnehmen und diese nicht nur dazu nutzen, um sich selbst zu erhalten, sondern auch Kopien von sich anfertigen, sich also vermehren. Doch Leben als solches zu definieren ist tatsächlich nicht einfach. Denn wenn es um das Leben geht, denken wir häufig an uns selbst oder vielleicht an unsere Haustiere. Doch auch Pflanzen leben, Pilze und Bakterien auch. Viren gelten nicht als Lebewesen, stehen aber in ihrer Daseinsform zwischen belebter und unbelebter Materie.
Die Frage, warum es eben nur zwei Geschlechter geben kann, hat mit ihrer biologischen Funktion zu tun. Hierbei geht es um Sex, Chromosomenzahl und Keimzellenbildung.
Sexualität, bzw. sexuelle Fortpflanzung erschöpft sich nicht nur in der Vermehrung der Individuenzahl, sondern beruht auf der ständigen Neukombination des elterlichen Erbgutes. Damit ist eine gewisse Variabilität der Organismen gesichert. Sex bezeichnet die Gesamtheit aller Phänomene, die in diesen Dienst gestellt werden. Über die Ursprünge und Bedeutung der Sexualität hat schon der Biologe August Weismann hingewiesen (WEISMANN 1883, 1886). Über die Ursprünge und Evolution der sexuellen Fortpflanzung hat LANE (2009) ein Kapitel gewidmet; MARGULIS & SAGAN (1986) haben hierzu ebenfalls ein wunderbares Buch geschrieben (wenn auch teilweise betagt). Für visuell orientierte Menschen empfehle ich folgendes Video, außerdem noch folgendes