ABITUR 2022 Faktencheck Physiologische Grundlagen 1. Semester 1
1. Cytologie
Prokaryoten Prokaryoten sind meist einzellige Lebewesen ohne Zellkern.
Zu den Prokaryoten gehören Bakterien und Archaeen (Mikroben).
Ihre Zellen werden als Procyte bezeichnet.
Im Gegensatz zu Eukaryoten befindet sich die DNA bei Prokaryoten freischwimmend
im Cytoplasma. Ihnen fehlt ein membranumgebener Zellkern mit aus DNA und
Histonen aufgebauten Chromosomen. Procyten besitzen dafür ein ringförmiges,
spiralisiertes und geknäultes (doppelsträngiges) DNA-Molekül, das als Nucleoid oder
Bakterienchromosom bezeichnet wird. Es trägt 90 % der Erbinformationen einer
Procyte.
Neben dem großen DNA-Molekül finden sich häufig zahlreiche kleine, zirkuläre,
doppelsträngige DNA-Moleküle, die Plasmide. Sie tragen die genetische Information
für spezielle physiologische Leistungen und Erscheinungen. Zahlreiche
Antibiotikaresistenzen von Bakterienstämmen sind z.B. plasmidcodiert. Bei
zahlreichen Bakterien können Plasmide von einer Zelle auf die andere übertragen
werden.
Den Procyten fehlen die typischen membranumschlossenen Zellorganellen der
Eucyten wie Mitochondrien, Plastiden, Geißeln mit 9·2 +2-Aufbau, Golgi-Apparat mit
Dictyosomen und Peroxisomen. Auch ein typisches endoplasmatisches Reticulum
fehlt. Der Mangel an Kompartimenten kann durch Einstülpungen in der
Plasmamembran ausgeglichen werden, die teilweise die Aufgabe von
Eukaryotenorganellen übernehmen, wie z.B. die chlorophyllhaltigen Thylakoide der
Cyanobakterien.
Die Ribosomen der Procyten sind mit 70S etwas kleiner als die der Eucyten (80S). Sie
erfüllen – wie in der Eukaryotenzelle – die Aufgabe der Proteinsynthese.
Die Zellwand hält die Form der Protocyte aufrecht, schützt sie vor Bakteriophagen
(Viren) und osmotischem Druck.
Oftmals wird die Zellwand zusätzliche durch eine Schleimhülle oder Kapsel begrenzt.
Typische Anhänge der Procyten außerhalb der Zellwand sind Flagellen
(Fortbewegungsfunktion), Fimbrien (Anheftungsfunktion) und Pili
(Adhäsionsfunktion):
Flagellen (Bakteriengeißeln) sind lange, fadenartige Polymere aus dem Protein
Flagellin, die der aktiven Fortbewegung dienen. Sie entspringen einem innerhalb
der Plasmamembran liegenden Basalapparat und übertreffen die Länge des
Procyten meist deutlich.
Fimbrien sind meist kurze und in großer Zahl gebildete fädige
Oberflächenstrukturen, die v.a. der Anheftung an andere Zellen oder Unterlagen
dienen.
Pili (sing. Pilus) sind längere und dickere Fortsätze. Pili sind als Adhäsine von
besonderer Bedeutung für die Haftung von pathogenen Bakterien an ihren Wirt
und auch am DANN-Austausch zwischen Prokaryoten, dem horizontalen
Gentransfer, beteiligt.
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Eukaryoten Eukaryoten sind Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern besitzen.
Zu den Eukaryoten gehören Einzeller, Algen, Pflanzen, Pilze, Tiere und Mensch.
Ihre Zellen werden als Eucyte bezeichnet.
Eucyten enthalten Kerne und Organellen.
Die Eucyte besitzt einen membranumgebenen Zellkern mit Chromosomen, der sich
bei der Zellvermehrung zuerst teilt (Mitose). Der Zellkern beinhaltet und schützt bei
Eukaryoten die Erbsubstanz (DNA) der Zelle. Bei Prokaryoten schwimmt die DNA
frei im Zytoplasma.
Die Eucyte weist ein ausgeprägtes Membransystem und eine starke innere
Kompartimentierung auf.
Als Zellorganellen treten stets Mitochondrien, oft auch Geißeln (Undulipodien) und
Plastiden auf.
Die Eucyte besitzt im Cytoplasma Ribosomen vom Typ 80-S-Typ.
Mitochondrien, Endoplasmatisches Retikulum und Golgi-Apparat kommen
ausnahmslos bei Eukaryoten vor. Prokaryoten verfügen nicht über diese
Zellorganellen.
Das Cytoskelett sorgt in der Eucyte für die Aufrechterhaltung der Zellform. Es besteht
aus Proteinverbindungen.
Eine Zellwand kommt nur bei Pflanzenzellen vor.
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Das Cytoplasma füllt den Bereich zwischen Zellkern und Zellaußenmembran und
umgibt die Zellorganellen. Diese „Grundsubstanz“ besteht zu einem beachtlichen Teil
aus Wasser und enthält Proteine, Kohlenhydrate, organische Säuren und Ionen. Für die
mehr flüssige oder mehr gelartige Konsistenz ist vor allem das fädige Proteinnetzwerk
des Cytoskeletts verantwortlich. Viele Stoffwechselreaktionen wie Glykolyse,
Pentosephosphatzyklus sowie Purin- und Pyrimidinsynthese finden im Cytoplasma
statt. Reservestoffe wie Fette und Glykogen können im Cytoplasma gespeichert
werden. Durch Membransysteme wie endoplasmatisches Retikulum (ER), Golgi-
Apparat und verschiedene Cytosomen ist es stark kompartimentiert.
Der Zellkern (Nucleus, Karyon) ist meist das größte Zellorganell und bereits im
Lichtmikroskop gut zu erkennen. Er wird von einer Doppelmembran mit Poren
umgeben. Diese Poren haben einen Durchmesser von 40 bis 100 nm und lassen
Makromoleküle passieren. Die Kerndoppelmembran hat direkte Verbindung zum ER.
Im Zellkern findet man außerdem meist zwei Kernkörperchen (Nucleoli). Sie bestehen
vorwiegend aus RNA und wirken bei der Bildung der Ribosomen mit.
Mitochondrien sind die „Kraftwerke“ der Zelle. In ihnen findet die Oxidation
organischer Stoffe statt, wobei Energie freigesetzt und in Form von chemischer
Energie (als ATP) gespeichert wird. Sie sind also v.a. am Stoffabbau und an der
Energiefreisetzung der Zelle beteiligt und ein typisches Zellorganell aller Eukaryoten.
Die 1-10 μm langen Mitochondrien besitzen zwei Membranen als Hülle. Durch die
Doppelmembran entstehen zwei Kompartimente: der Intermembranraum und die
Matrix.
Plastiden sind typische Organellen von Algen und Pflanzen. Auch bei diesen
Zellorganellen ist die innere Oberfläche sehr stark vergrößert. Allerdings stehen die
inneren Membranen, die als Thylakoide bezeichnet werden, bei ausdifferenzierten
Chloroplasten nicht mehr mit der umhüllenden Innenmembran in Verbindung.
Die grünen Chloroplasten ermöglichen ihren Trägern eine autotrophe Lebensweise.
Mithilfe von Assimilationsfarbstoffen, vor allem des Chlorophylls, kann in den
Chloroplasten ein Teil der Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt werden.
Die Energie wird in den Chloroplasten zum Aufbau organischer Verbindungen genutzt.
Das endoplasmatische Reticulum (ER) durchzieht als reich gegliedertes
Membransystem das Cytoplasma. Es steht mit verschiedenen Zellorganellen, etwa dem
Kern und den Dictyosomen, in enger Verbindung und kompartimentiert das Zellinnere.
Dictyosomen oder der Golgi-Apparat als die Gesamtheit aller Dictyosomen sind
Membranstapel, die in ihrem Inneren – ihren Zisternen – Polysaccharide und Proteine
ansammeln. Nach Vesikelabschnürung in das Cytoplasma können diese Vesikel mit
Membranen anderer Zellorganellen oder mit der Zellmembran verschmelzen und
dadurch Stoffe transportieren und ausscheiden (Exocytose).
Lysosomen sind von einer einfachen Membran umgeben und enthalten Enzyme.
Gebildet werden diese Organellen vom Golgi-Apparat. Aufgabe der Lysosomen in der
Zelle ist es, sehr selektiv mit Endocytosevesikeln zu verschmelzen und den
Vesikelinhalt hydrolytisch abzubauen.
Sowohl bei tierischen als auch bei pflanzlichen Zellen treten Vakuolen auf. In
tierischen Zellen sind es nur kleine, mit Flüssigkeit angefüllte Räume. In älteren
Pflanzenzellen erreichen sie ein beachtliches Volumen. In den meisten Pflanzenzellen
entsteht aus einzelnen Vakuolen eine mächtige Zentralvakuole. Die einfache
Membran, die den Vakuoleninhalt zum Cytoplasma hin abgrenzt, wird als Tonoplast
bezeichnet. Dieser Tonoplast unterscheidet sich in den Membraneigenschaften deutlich
von der äußeren Zellmembran, die bei Pflanzen Plasmalemma genannt wird. So sind
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Plasmalemma und Tonoplast für verschiedene Stoffe unterschiedlich durchlässig.
Vakuolen enthalten eine wässrige Lösung und können osmotisch Wasser aufnehmen
und abgeben. Der davon abhängige Binnendruck (Turgor) einer Pflanzenzelle aht
Bedeutung für die Stabilität des Pflanzengewebes. Vakuolen in pflanzlichen Zellen
erfüllen mehrere wichtige Funktionen: Sie können den Lysosomen gleich lytische
Enzyme enthalten und so bestimmte Stoffumsetzungen beeinflussen. Bedeutsam
können Vakuolen auch für die Speicherung von Stoffen sein, sowohl verschiedene
Zucker als auch Proteine und organische Säuren können in den Vakuolen zum Teil
beachtliche Konzentrationen erreichen. Vakuolen dienen aber auch als Deponieraum
für überflüssige, oft toxische Sekundärstoffe.
Ribosomen sind die Orte der Proteinbiosynthese in der Zelle. Sie stellen Organellen
ohne Membranhülle dar. Zwei Ribosomengrundtypen werden unterschieden: der 80-S-
Typ im Cytoplasma der Eucyten und der 70-S-Typ der Plastiden, Mitochondrien und
der Procyten.
In den Peroxisomen können etwa 60 verschiedene vorwiegend oxidierende Enzyme
vorkommen, die z.B. den oxidativen Abbau von Fettsäuren, Alkohol und anderen
schädlichen Verbindungen katalysieren.
Die Zellwand umgibt die Pflanzenzellen mit einer festen, formgebenden Hülle.
Vergleich von Eukaryoten und Prokaryoten
Eukaryoten Prokaryoten
Zellname Euzyte Protozyte
Beispiele Menschen, Tiere, Pilze, Algen, Einzeller Bakterien und Archaeen
Zellgröße (Ø) 10-50 µm 1-20 µm
Anteil nichtkodierender
ca. 70-90% (niedrige Gendichte) 5-25% (hohe Gendichte)
DNA
Zellkern vorhanden nicht vorhanden
Ort des Erbguts im Zellkern freischwimmend im Cytoplasma
Speicherungsform des im Bakterienchromosom und den
in mehreren Chromosomen
Erbguts Plasmiden
Zellkompartiment stark kompartimiert schwach kompartimiert
Ribosomen 80 S-Ribosomen 70 S-Ribosomen
Zellwand Pflanzenzellen (+), Tierzellen (-) vorhanden
Chloroplasten, Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat,
Chlorosom, Flagellum, Magnetosom,
Mögliche Organellen: Leukoplasten, Lysosomen, Mitochondrien, Peroxisomen,
Nucleoid, Plasmid, Ribosomen, Thylakoid
Ribosomen, Vesikel, Zellkern
Fortbewegungsorgane Geißel Flagellum
Eukaryoten sind Lebewesen, die über einen Zellkern verfügen. In diesem Zellkern befindet sich die DNA der
Zelle (Euzyte). Prokaryotische Lebewesen besitzen dagegen keinen Zellkern. Ihr Erbgut schwimmt frei
