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Zellbiologie

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Biologie

Die Zellbiologie stellt einen wichtigen Teilbereich der Biologie dar, der mithilfe von molekularbiologischen Methoden den Aufbau und die Funktionen von Zellen erforscht um die biologischen Prozesse auf Zellebene zu verstehen. In diesem Artikel erhältst du einen Überblick zu allen wichtigen Themen der Zellbiologie. Dazu gehören unter anderem der Zellaufbau, die Zellorganellen sowie der Stoffwechsel und die Enzyme.



Was versteht man unter Zellbiologie?


In der Zellbiologie, auch Zytologie, wird sich mit der Struktur und den Funktionen von Zellen befasst. Mithilfe der Mikroskopie werden Aufbau und molekulare Bestandteile der Zellen erforscht. Prozesse wie die Zellteilung, Bewegung der Organellen, Kommunikation der Zellen miteinander und Organbildung werden dabei genauestens beobachtet und dokumentiert.


Zellaufbau


Grundsätzlich unterscheidet man in der Zellbiologie sowohl zwischen Prokaryoten und Eukaryoten, als auch zwischen Einzellern und Mehrzellern. Unter dem Begriff "Prokaryoten" werden Bakterien, Archaebakterien und Cyanobakterien zusammengefasst. Die Zelle ist kaum strukturiert und besitzt weder Kompartimentierung, noch Zellkern. Unter dem Begriff "Eukaryoten" werden typischerweise Zellen von Tieren, Pflanzen, Pilzen und Protozyten zusammengefasst. Die eukaryotische Zelle ist in funktionsorientierte Kompartimente aufgeteilt und das Erbmaterial ist im Zellkern zu finden. 


Als Einzeller bezeichnet man Organismen, deren Existenz auf nur einer einzigen Zelle beruht. Dies können Prokaryoten sein, aber auch einzellige Pflanzen oder Pilze können Einzeller sein. Organismen, die sich aus mehreren Zellen zusammensetzen bezeichnet man als Mehrzeller. Die Zellen kooperieren miteinander, indem sie alle unterschiedlich spezialisiert sind und so eine komplexe Aufgabenteilung gewährleistet werden kann.


Zellorganellen


Die Zellorganellen sind Bereiche innerhalb einer Zelle, die durch Membrane voneinander abgegrenzt werden. Im Gegensatz zu Eukaryoten, die zahlreiche Organellen im Zellinneren besitzen, findet man im Inneren einer prokaryotischen Zellen keine definierten Organellen. Viele Zellorganellen finden sich sowohl in Pflanzen- als auch in Tierzellen, wie zum Beispiel die Mitochondrien, den Zellkern, der Golgi Apperat und das endoplasmatische Retikulum. Vakuole und Plastiden sind Zellorganellen, die dagegen nur in Pflanzenzellen vorkommen. Ausführliche Erklärungen zu den einzelnen Zellorganellen der Zellbiologie findest du auf StudySmarter.


Zell-Zell-Verbindungen


Damit Zellen sich miteinander austauschen können und optimal zusammenarbeiten können, brauchen sie Zell-Zell-Verbindungen. Mit dem Elektromikroskop lassen sich diese interzellulären Verbindungen gut erkennen. So gibt es Verbindungen, die den Zusammenhalt von Zellen gewährleisten (Adhering junction), oder die sogenannten Epithelien, die Diffusion verhindern (Tight junction). Natürlich gibt es auch Verbindungen, die einen direkten Stoffaustausch von Zelle zu Zelle ermöglichen (Gap junction).

Schau doch mal die weiterführenden Artikel dazu auf StudySmarter an, um dich noch tiefer in das Thema einzulesen!


Biomembran


Die Biomembran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht bzw. Doppel-Lipidschicht, welche die Grenzflächen aller Zellen und der darin enthaltenen Kompartimente bilden. Die Bildung und Anordnung einer Lipiddoppelschicht wird durch die unterschiedliche Polarität in Fettmolekülen erklärbar. Die Biomembranen sind für den Stofftransport zuständig und für die Kompartimentierung, letzteres bezeichnet die Bildung von Kompartimenten, in denen dann entweder Stoffe gespeichert werden können (z.B in Vakuolen), oder es können dort Reaktionen ablaufen, wie es in den Mitochondrien der Fall ist. Wie genau die Biomembran entsteht und arbeitet, erfährst du auf StudySmarter in den passenden Artikeln zum jeweiligen Themenbereich der Zellbiologie.


Stoffwechsel


Unter dem Begriff Stoffwechsel versteht man grundsätzlich alle chemischen Reaktionen, die innerhalb einer Zelle stattfinden. Man unterscheidet zwischen Autotrophie und Heterotrophie in Bezug auf die Ernährung. Autotrophe Organismen sind in der Lage, alle Stoffe, die sie zum Überleben benötigen, selbst herzustellen. Pflanzen sind zum Beispiel solche Organismen. Wir Menschen sind dagegen heterotrophe Organismen, weil wir permanent Nahrung benötigen, damit unsere Zellen die nötige Energie produzieren können. Zum Thema Stoffwechsel gibt es noch einige spannende Unterthemen, die du dir auf StudySmarter jederzeit durchlesen kannst!


Enzyme


Ohne Enzyme würde es vermutlich kein Leben geben, jedenfalls nicht so wie wir es kennen. Die komplexen Eiweißmoleküle sind essentielle Treiber im Stoffwechselprozess unseres Körpers. Sie beschleunigen die biochemischen Reaktionen im Körper und werden daher auch oft als Biokatalysatoren bezeichnet. Abläufe wie der Verdauungsprozess, der Zellstoffwechsel und auch das Kopieren der DNA, werden alle von Enzymen gesteuert. 


Dabei gibt es Enzyme in den verschiedensten Variationen, für jede chemische Reaktion steht das passende Enzym mit den entsprechenden Fähigkeiten bereit. Zu den Hauptaufgaben von Enzymen zählen zum Beispiel das aufbauen, abbauen oder umbauen von Molekülen. An der typischen Endung "-ase" erkennst du ganz leicht, dass es sich hierbei wahrscheinlich um ein Enzym handeln muss. Mehr über den Aufbau und die Aufgaben von Enzymen findest du in den entsprechenden Artikeln dazu auf StudySmarter!


Methoden


Es gibt innerhalb der Zellbiologie einige wissenschaftliche Methoden, die es uns Menschen möglich machen, die Funktionen von Zellen zu erforschen und zu verstehen. Eine beliebte Methode in der Zellbiologie ist die Verwendung von einem Elektronenmikroskop oder einem Lichtmikroskop. Im Gegensatz zum Lichtmikroskop, ist ein Elektronenmikroskop in der Lage, mithilfe eines Elektronenstrahls selbst kleinste Organismen wie zum Beispiel Viren für das Auge sichtbar zu machen. 


Weitere Methoden um die Funktionsweise von Zellen zu verstehen, sind die histochemische Färbung und die Fluoreszenzfärbung. Bei der histochemischen Färbung reagiert die Farbreagenz in einer chemischen Reaktion mit bestimmten Zellbestandteilen und hebt sie dadurch optisch hervor. Die Fluoreszenzfärbung dient in der Elektrophorese dem Nachweis von Proteinen in Polyacrylamidgelen mithilfe von Fluoreszenzfarbstoffen. Genaueres zu den einzelnen Methoden findest du in den entsprechenden Artikeln dazu auf StudySmarter!


Das Wichtigste zur Zellbiologie auf einen Blick!


  • Grundsätzlich unterscheidet man in der Zellbiologie sowohl zwischen Prokaryoten und Eukaryoten als auch zwischen Einzellern und Mehrzellern.
  • Die Zellorganellen sind Bereiche innerhalb einer Zelle, die durch Membrane voneinander abgegrenzt werden.
  • Damit Zellen sich miteinander austauschen können um optimal zusammenarbeiten zu können, brauchen sie Zell-Zell-Verbindungen.
  • Die Biomembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht bzw. Doppellipidschicht, welche die Grenzflächen aller Zellen und der darin enthaltenen Kompartimente bilden.
  • Unter dem Begriff Stoffwechsel versteht man grundsätzlich alle chemischen Reaktionen, die innerhalb einer Zelle stattfinden.
  • Enzyme beschleunigen die biochemischen Reaktionen im Körper und werden daher auch oft als Biokatalysatoren bezeichnet.
  •  Es gibt einige wissenschaftliche Methoden, die es uns Menschen möglich machen, die Funktionen von Zellen zu erforschen und zu verstehen.


FERTIG!

Jetzt hast du einen Überblick zu allen wichtigen Themenbereichen der Zellbiologie erhalten und bist bereit, dich in die Themenbereiche, die für dich wichtig sind noch weiter einzulesen. Klicke einfach auf die blau unterlegten Schlagwörter die dich interessieren und du wirst zu dem passenden Artikel weitergeleitet. Viel Erfolg beim Lernen!

Finales Zellbiologie Quiz

Frage

Beschreibe den Bau und die Aufgaben eines Zellkerns

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Antwort

  • Bau: Doppelte Kernmembran mit zahlreichen Kernporen, im Inneren Chromatin und meist zwei Nukleoli 
  • Aufgaben: Speicherung der genetischen Information für den Bau der Zellbestandteile sowie für die Steuerung von Stoffwechselvorgängen und von Wachstum und Entwicklung
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Frage

Beschreibe den Bau und die Aufgaben eines Mitochondriums

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Antwort

  • Bau: Doppelte Membranhülle, innere Membran mit faltenartigen Einstülpungen (Cristae, Tubuli), im Innenraum (Matrix) ringför- mige DNA und Ribosomen 
  • Aufgabe: Zellatmung (aerober Abbau der Brenztraubensäure, Atmungskette) → Stoffabbau zur Energiegewinnung
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Frage

Beschreibe den Bau und die Aufgaben eines Chloroplasts

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Antwort

  • Bau: Doppelte Membranhülle, innere Membran bildet Thylakoi- de (lamellenartige Membranstapel mit Blattfarbstoffen), im In- nenraum (Stroma) ringförmige DNA, Ribosomen, Stärkekörner 
  • Aufgabe: Fotosynthese → Stoffaufbau mithilfe der Sonnenenergie
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Frage

Wie ist eine Biomembran aufgebaut?

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Antwort

Flüssig-Mosaik-Modell

  • Lipid-Doppelschicht, die im Inneren lipophil (hydrophob) und an den Außenseiten hydrophil (lipophob) ist.
  • Membranproteine:
    • Periphere Proteine: Außen auf die Doppelschicht aufgelagert 
    • Integrale Proteine: Reichen in die Lipid-Doppelschicht hinein 
    • Membranporen (Tunnelproteine)


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Frage

Was sind die Funktionen der Biomembranen?

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Antwort

  • Kompartimentierung
  • Stofftransport durch Biomembranen
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Frage

Was bedeutet Kompartimentierung?

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Antwort

Das Zytoplasma einer Zelle wird durch Biomembranen in abgegrenzte Bereiche unterteilt ⇒ verschiedene Stoffwechselreaktionen können ungestört nebeneinander ablaufen.

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Frage

Welche Formen des Stofftransports durch die Biomembran gibt es?

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Antwort

  • Membrangebundener Transport
  • Proteingebundener Transport
  • Diffusion und Osmose
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Frage

Was versteht man unter Diffusion und Osmose?

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Antwort

  • Diffusion: Gleichmäßige Verteilung von Teilchen im zur Verfü- gung stehenden Raum bis zum Konzentrationsausgleich. Wird durch Eigenbewegung der Teilchen (Brownsche Molekularbewegung) bewirkt (passiver, physikalischer Vorgang). 
  • Osmose: Eingeschränkte, einseitige Diffusion durch eine selektiv permeable (semipermeable) Membran. Nur lipophile Stoffe, kleine unpolare Moleküle (z. B. Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid) und die sehr kleinen Wassermoleküle können die Biomembran durchdringen, andere im Wasser gelöste Teilchen wie z. B. Ionen und Zuckermoleküle dagegen nicht.
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Frage

Wie funktioniert ein proteingebundener Transport?

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Antwort

  • Tunnelproteine: Erleichterte Diffusion; Ionen und große Moleküle wandern dem Konzentrationsgefälle folgend durch Membranporen ⇒ passiver Transport.
  • Carrierproteine: Transport durch spezielle Membranporen erfolgt gegen ein Konzentrationsgefälle unter Verbrauch von Stoffwechselenergie (ATP) ⇒ aktiver Transport.
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Frage

Was versteht man unter membrangebundener Transport?

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Antwort

Abgabe bzw. Aufnahme von flüssigen /gelösten Stoffen oder von Partikeln aus der Zelle bzw. in die Zelle.

  • Exozytose: Membranbläschen (Vesikel), das die abzugebenden Stoffe enthält, verschmilzt mit der Zellmembran und entleert sich nach außen.
  • Endozytose: Aufzunehmende Stoffe gelangen in eine Einstülpung der Zellmembran, die nach innen als Vesikel abgeschnürt wird.
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Frage

Was sind Antikörper?

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Antwort

Antikörper sind komplexe Proteine aus der Klasse der Globuline (Immunglobuline = Ig), die frei in den Körperflüssigkeiten (Blut und Lymphe) transportiert werden oder an Zellen, wie T-Lymphozyten oder Mastzellen, gebunden sind.

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Frage

Regulation der Endproduktherstellung


Enzyme katalysieren chemische Reaktionen und übernehmen wichtige Funktionen im Stoffwechsel von Organismen.


3. Amylose, ein Bestandteil der Stärke, wird durch das Enzym Amylase zu Maltose abgebaut. Um den Einfluss der Acarbose auf die Enzymaktivität zu untersuchen, wird bei einer konstanten Temperatur von + 30 °C die Amylosekonzentration jeweils 5 Minuten nach Zugabe der Amylase in Abhängigkeit von der zugesetzten Acarboselösung gemessen.


Tab. 2: Versuchsergebnisse nach jeweils 5 min


3.2 Beschreiben Sie die zu Aufgabe 3.1 grafisch dargestellten Versuchsergebnisse. Erläutern Sie die Wirkung von Acarbose auf die Amylaseaktivität. Berücksichtigen Sie bei Ihrer Erläuterung auch die Molekülstruktur der Acarbose (Abb. 5).



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Antwort

Bis etwa 0,10 ml zugegebener Acarboselösung steigt die Amylosekonzentration nach 5 Minuten linear und nähert sich dann in sigmoidem Verlauf einem konstanten Wert um 98 % an, der bei etwa 0,14 ml zugegebener Acarboselösung erreicht wird.

Je mehr Acarbose zugegeben wird, desto weniger Amylose wird abgebaut, da die Amylase durch Acarbose gehemmt wird. Ab etwa 0,14 ml zugegebener Acarboselösung findet praktisch kein Amyloseabbau mehr statt.

Amylose und Acarbose weisen eine ähnliche chemische Struktur auf, deshalb wird Amylase durch Acarbose kompetitiv gehemmt. Das Substrat muss nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an das aktive Zentrum des Enzyms binden. Hat der Hemmstoff eine ähnliche räumliche Struktur wie das Substrat, kann er ebenfalls an das aktive Zentrum binden. Dadurch blockiert er für eine gewisse Zeit die Anlagerung des Substrats und dieses kann nicht umgesetzt werden.

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Frage

Die Biomembran – eine Einheitsmembran?


1. Die Umhüllungen von Zellorganellen und ganzen Zellen, die Biomembranen, standen seit dem Beginn der elektronenmikroskopischen Untersuchungen biologischer Strukturen im Zentrum des Forschungsinteresses. Mitte der 1950er-Jahre gelang es dem Biologen JAMES DAVID ROBERTSON (1923 –1995), biologische Membranen spezifisch anzufärben, sodass sie auf dünnen Schnitten im Transmissions-Elektronenmikroskop untersucht werden konnten. Dabei entstanden Bilder, wie sie in Abb. 1 wiedergegeben sind; die Gewebeschnitte wurden dabei mit Osmiumtetroxid fixiert. Als Ergebnis seiner Untersuchungen prägte der Forscher um 1960 den Be- griff der „unite membrane“, der „Einheitsmembran“, und postulierte damit den identischen Bau jeder biologischen Membran.



1.1 Beschreiben Sie die vergrößerte Darstellung in der Bildmitte von Abb. 1 und greifen Sie dabei auch auf Ihre Kenntnisse der Bestandteile von biologischen Membranen zurück.

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Antwort

Hier müssen Sie Ihre Kenntnisse über den Membranbau reorganisieren und mit der elektronenoptischen Darstellung in Verbindung bringen.


Der mit Osmiumtetroxid fixierte Gewebeschnitt zeigt in den Bereichen, in denen sich biologische Membranen befinden, das charakteristische Bild einer trilamellaren Struktur: Zwei dunkle, elektronendichte Linien umschließen einen hellen, dazwischen befindlichen Bereich. Dieses Bild der „Eisenbahngleise ohne Schwellen“ ist bei jeder derart fixierten biologischen Membran zu erkennen. Da der chemische Grundaufbau biologischer Membranen bekannt ist, kann das im Transmissions-Elektronenmikroskop entstehende Bild wie folgt gedeutet wer- den: Der mittlere, helle Bereich enthält die lipophilen Bestandteile der Membranlipide, die in der Lipiddoppelschicht einander zugewandt sind. Die dunklen Linien stellen die Bereiche dar, in denen sich sowohl die hydrophilen Lipidanteile sowie Membranproteine befinden.

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Frage

Die Biomembran – eine Einheitsmembran?


1. Die Umhüllungen von Zellorganellen und ganzen Zellen, die Biomembranen, standen seit dem Beginn der elektronenmikroskopischen Untersuchungen biologischer Strukturen im Zentrum des Forschungsinteresses. Mitte der 1950er-Jahre gelang es dem Biologen JAMES DAVID ROBERTSON (1923 –1995), biologische Membranen spezifisch anzufärben, sodass sie auf dünnen Schnitten im Transmissions-Elektronenmikroskop untersucht werden konnten. Dabei entstanden Bilder, wie sie in Abb. 1 wiedergegeben sind; die Gewebeschnitte wurden dabei mit Osmiumtetroxid fixiert. Als Ergebnis seiner Untersuchungen prägte der Forscher um 1960 den Be- griff der „unite membrane“, der „Einheitsmembran“, und postulierte damit den identischen Bau jeder biologischen Membran.



1.2 Erläutern Sie, welchen Eindruck ROBERTSON von der Biomembran erhalten hatte und wie er zur Prägung des Begriffs der „Einheitsmembran“ kommen konnte.

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Antwort

Im elektronenoptischen Bild erscheinen alle Biomembranen gleich. Dies gilt für die Membranen der einzelnen Zellorganellen und der Zellmembran bei Pflanzen- wie bei Tierzellen. Die „Eisenbahngleise ohne Schwellen“ sind bei allen daraufhin untersuchten biologischen Membranen gefunden worden. Diese Tatsache hat JAMES DAVID ROBERTSON um 1960 dazu gebracht, den einheitlichen Aufbau aller Biomembranen als „Einheitsmembran“ zu postulieren.

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Frage

Die Biomembran – eine Einheitsmembran?


2. Biomembranen enthalten als Bausteine neben Lipiden auch Proteine. Abb. 2 zeigt die Verteilung von vier Lipidtypen in der Membran von Erythrozyten. Tab. 1 gibt das Mengenverhältnis von Proteinen zu Lipiden innerhalb unterschiedlicher Membrantypen wieder.



Anmerkung zum Lesen der Tabelle: Die Myelinscheide hat einen Proteinanteil von 18 % und einen Lipidanteil von 82 %. Das Verhältnis von Protein zu Lipid liegt also bei ca. 0,25.


2.1 Werten Sie Abb. 2 in Bezug auf die Verteilung der Lipide innerhalb der Membran von Erythrozyten aus. Erläutern Sie anschließend, was Tab. 1 bezüglich des Auftretens beider Membrankomponenten aussagt.

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Antwort

Abb. 2 gibt die quantitative Verteilung von vier Membranlipiden in der Erythrozytenmembran wieder. Dabei ist der mengenmäßige Anteil der einzelnen Lipide auf der Membraninnen- und -außenseite in Prozent angegeben. Die Abbildung verdeutlicht auf den ersten Blick, dass das quantitative Vorkommen der vier Membranlipide an der Innen- bzw. der Außenseite der Membran sehr unterschiedlich ausfällt. Phosphatidylcholin und Sphingomyelin kommen zu 22 bzw. 20 % in der Membranaußenseite vor. Am Aufbau der Innenseite der Erythrozytenmembran ist Phosphatidylcholin aber lediglich mit 8 % und Sphingomyelin nur mit 5 % beteiligt. Für die Membranlipide Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylserin ergibt sich mengenmäßig die umgekehrte Verteilung. Beide kommen an der Membraninnenseite deutlich häufiger vor (Phosphatidylethanolamin: innen 26 %; außen 6 %) bzw. sind ausschließlich dort vorhanden (Phosphatidylserin: knapp 10 %).

In Tab. 1 ist das quantitative Verhältnis von Proteinen zu Lipiden in verschiedenen Membrantypen zusammengefasst. Wie die Zahlenwerte verdeutlichen, kann das jeweilige Verhältnis der beiden Komponenten zueinander beträchtlich schwanken. Bei Zahlenwerten kleiner 1 überwiegen Lipide, bei einem Wert über 1 befinden sich mehr Proteine in der jeweiligen Biomembran. In den Disc-Membranen der Sehstäbchen und der äußeren Mitochondrienmembran herrscht ein annähernd ausgeglichenes Verhältnis von Proteinen zu Lipiden vor. Dies gilt in abgeschwächtem Maße auch für die Membranen der Leberzelle. Wie der Quotient von 3,0 bei der inneren Mitochondrienmembran zeigt, enthält diese deutlich mehr Proteine als Lipide. Dagegen überwiegt in den Membranen der Myelinscheide der Lipidanteil ganz deutlich.

Zusammenfassend kann aus den beiden Darstellungen (Abb. 2 und Tab. 1) gefolgert werden, dass in den diversen Membranen eines Organismus die quantitative Verteilung von Lipidtypen in der Lipiddoppelschicht und das Mengenverhältnis von Membranlipiden zu -proteinen sehr unterschiedlich sein kann.

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Frage

Woher stammen Chloroplasten und Mitochondrien?


Chloroplasten und Mitochondrien in eukaryotischen Zellen waren bereits früh Objekte zellulärer Untersuchungen. Bereits im ausgehenden 19. Jahrhundert hatte ANDREAS FRANZ WILHELM SCHIMPER (1856 –1901) nachgewiesen, dass Plastiden wiederum nur aus Plastiden hervorgehen können. Kurze Zeit später wurde auch für Mitochondrien postuliert, dass diese nicht de novo entstehen, d. h. etwa nach Verlust nicht neu geschaffen werden können.

SCHIMPER hatte sich schon 1883 in seinem Aufsatz „Über die Entwicklung der Chlorophyllkörner und Farbkörper“ wie folgt geäußert:


„Sollte es sich definitiv bestätigen, dass die Plastiden in den Eizellen nicht neu gebildet werden, so würde ihre Beziehung zu dem sie enthaltenden Organismus einigermaßen an eine Symbiose erinnern. Möglicherweise verdanken die grünen Pflanzen wirklich einer Vereinigung eines farblosen Organismus mit einem von Chlorophyll gleichmäßig tingirten [eingefärbten] ihren Ursprung.“


In den folgenden 100 Jahren führten die zell- und biochemisch-molekularbiologischen Untersuchungen der Zellorganellen Chloroplast und Mitochondrium zu einem differenzierteren Bild, das die folgenden Befunde beschreiben:

  1. Mitochondrien und Plastiden sind von zwei Membranen umgeben. Ähnliche Verhältnisse findet man auch bei intrazellulären Symbionten und Parasiten. Die äußere Membran entspricht dabei der Biomembran der Wirtszelle, die innere derjenigen des Symbionten bzw. Parasiten.
  2. Die innere Mitochondrien- und Plastidenmembran weist eine andere biochemische Zusammensetzung auf als die charakteristische Membran einer eukaryotischen Zelle. In der Mitochondrien-Innenmembran kommen Phospholipide vor, die bei Eukaryoten nicht auftreten, aber in Bakterienmembranen zu finden sind. Sterollipide sind normalerweise in den Membranen von Euzyten zu finden. Sie fehlen aber den Innenmembranen der Mitochondrien und i. d. R. auch den Bakterienmembranen.
  3. In der eukaryotischen Zelle herrscht ein ständiger Membranfluss, bei dem die Biomembranen miteinander fusionieren. Eine Fusion von inneren Plastiden- oder Mitochondrienmembranen mit Euzytenmembranen wurde nicht beobachtet.
  4. In den Plastiden läuft die Fettsäuresynthese anders ab als in eukaryotischen Zellen. Sie entspricht eher derjenigen in prokaryotischen Zellen.
  5. Plastiden und Mitochondrien besitzen als einzige Zellorganellen eigene DNA. Sie ist zirkulär und membranangeheftet wie bei Bakterienzellen. Ebenso fehlen ihr – wie auch prokaryotischen Zellen – Histon-Proteine und spezifische Modifikationen der mRNA.
  6. Der Teilungsmodus von Plastiden und Mitochondrien mittels Zweiteilung erinnert stärker an die Zellteilung von Bakterien als an die mitotischen Abläufe in Euzyten. Ihre DNA-Replikation ist unabhängig von der entsprechenden S-Phase des Eukaryoten-Zellzyklus.
  7. Mitochondrien und Plastiden können nur einen kleinen Teil der von ihnen benötigten Proteine selbst herstellen. Der überwiegende Teil ihrer Proteine wird von Genen aus dem Zellkern codiert.
  8. Die Ribosomen in Chloroplasten und Mitochondrien (70 S) unterschieden sich von Ribosomen in Euzyten (80 S).
  9. Antibiotika, die Ribosomen von Bakterienzellen inaktivieren, können auch Chloroplasten- und Mitochondrien-Ribosomen hemmen.
  10. Die meisten der von Plastiden und Mitochondrien benötigten Proteine, darunter auch essenzielle Enzyme zur DNA- und RNA-Replikation, werden im Zytoplasma an 80 S-Ribosomen synthetisiert und anschließend in die Mitochondrien und Plastiden transportiert.
  11. Vergleicht man die Sequenzdaten von Nukleinsäuren und Proteinen aus den beiden Zellorganellen mit den Daten von Eukaryoten, so können klare Gemeinsamkeiten innerhalb der Euzyten aufgezeigt werden – Mitochondrien und Plastiden stehen dagegen völlig außerhalb der Eukaryoten-Gemeinsamkeiten.
  12. Die Sequenzdaten von Nukleinsäuren und Proteinen der beiden Zellorganellen unterscheiden sich untereinander deutlich.
  13. Versuche, die beiden Zellorganellen in einem Nährmedium außerhalb der Zelle zu vermehren, sind stets fehlgeschlagen.


Bereits 1890 verfasste RICHARD ALTMANN (1852 –1900), u. a. fußend auf den Überlegungen von SCHIMPER, die sog. „Endosymbionten-Hypothese“. Allgemein formuliert besagt sie, dass Plastiden und Mitochondrien die Nachfahren ursprünglich frei lebender Einzeller sind. Sie wurden frühzeitig in der Evolution als symbiontische „Dauergäste“ in die späteren Euzyten integriert und im Laufe der Zeit zu Zellorganellen „domestiziert“.

Daneben existiert noch eine weitere, konkurrierende Hypothese, die der „endogenen Kompartimentierung“. Sie geht davon aus, dass sich einzelne Kompartimente innerhalb der Zelle zu Plastiden und Mitochondrien weiterentwickelt haben.


1. Erläutern Sie im Detail den Aufbau und die Funktion der Zellorganellen Chloroplast und Mitochondrium. Nennen Sie dabei auch die korrekte Reaktionsgleichung des im jeweiligen Zellorganell ablaufenden Grundprozesses.

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Chloroplasten und Mitochondrien gehören neben dem Zellkern zu den Zellorganellen, die eine doppelte Membran besitzen.

Bei den Chloroplasten umschließt die innere Membran das Stroma, den Innenraum des Zellorganells, der als Matrix bezeichnet wird. Diese Membran ist in den Matrixbereich hinein lamellenförmig-flächig eingestülpt, woraus eine Oberflächenvergrößerung resultiert. Dort werden Membransysteme, die Thylakoide, gebildet. Sind diese geldrollenartig übereinandergestapelt, spricht man von Granathylakoiden (Granum). Liegen die Membranen vereinzelt im Matrixbereich, werden sie Stromathylakoide genannt. Im Stroma verstreut befinden sich Ribosomen. Das Zellorganell besitzt darüber hinaus auch eigene DNA. Chloroplasten können aus Vorstufen von Plastiden entstehen, sie vermehren sich aber ebenfalls durch Abschnürungen, d. h. durch Teilung. In den Chloroplasten läuft die Fotosynthese ab, die zur Produktion von Zucker- und Stärkemolekülen führt. Aus den energiearmen Substanzen Kohlenstoffdioxid und Wasser werden mithilfe der Energie aus dem Sonnenlicht der energiereiche Stoff Traubenzucker und Sauerstoff aufgebaut:

Diesen Vorgang bezeichnet man als Assimilation.

In den z. T. oval-kugeligen, meist aber stäbchenförmigen Mitochondrien, den „Kraftwerken“ der Zelle, läuft die Zellatmung ab. Die innere Mitochondrien- Membran umschließt auch bei diesem Zellorganell eine Matrix. Auch hier ist die in die Matrix hineinreichende Membran zur Vergrößerung der Oberfläche stark aufgefaltet. Je nach Art des Faltungsmusters unterscheidet man einen Christae- (Leisten-), Tubulus- (Röhren-) und Sacculus- (Säckchen-)Typ. Inner- halb der Matrix sind u. a. Ribosomen und ringförmige DNA-Moleküle vorhanden. Mitochondrien können nur durch Teilung (Abschnürung) aus bereits vorhandenen Mitochondrien entstehen. Diese Organellen befähigen eine Zelle da- zu, aus Kohlenhydraten (C6H12O6), Sauerstoff und Wasser Adenosintriphosphat (ATP) zu synthetisieren. Der Dissimilationsprozess läuft nach folgender Reaktionsgleichung ab:

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Frage

Was besagt der Isolationsversuch (Kaspar-Hauser-Experimente)?

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Versuchstiere werden unter spezifischem Erfahrungsentzug in veränderter Umwelt ohne Kontakt mit Artgenossen aufgezogen ⇒ Wenn

eine Verhaltensweise trotz Erfahrungsentzug auftritt, ist dies ein Beweis dafür, dass das Verhalten angeboren sein muss.

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Frage

Beschreibe kurz wie Gap Junctions aufgebaut sind.

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Gap Junctions sind aus sechs Connexinen aufgebaut, die ein Connexon bilden. Jeweils ein Connexon (Halbkanal) lagert sich mit einem Connexon der Nachbarzelle zusammen und bildet ein Gap Junction (interzellulärer Kanal).

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Frage

Was bedeutet homotypisch?

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Homotypisch bedeutet, dass es nur aus einer Art von Connexinen, bzw. Connexonen zusammengesetzt ist.

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Was bedeutet heterotypisch?

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Heterotypisch bedeutet, dass es aus verschieden Connexinen, bzw. Connexonen zusammengesetzt ist.

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Frage

Wie groß sind Gap Junctions ungefähr?

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Gap Junctions haben einen Durchmesser von 1,5 bis 2 Nanometer. Deshalb können auch nur sehr kleine Moleküle oder Ionen passieren.

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Was unterscheidet Gap Junctions von anderen Kanalsystemen?

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Antwort

Gap durchziehen zwei benachbarte Membranen, verbinden Cytoplasma mit Cytoplasma und sind in der Regel selbst im Ruhezustand geöffnet.

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Wo kommen Gap Junctions vor?

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Antwort

Sie kommen in fast allen Körpergeweben vor, wo Zellen miteinander in Kontakt treten. Besonders im Embryonalstadium sind sie wichtig für die Gewebeentwicklung. Beim Erwachsenen kommen sie im Herzmuskel-, Epithel- (z.B. Dünndarm), Nervengewebe und in der Retina vor.


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Frage

Welche Aufgaben haben Gap Junctions?

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Gap Junctions sorgen für Signal- und Stoffaustausch zwischen Zellen. Sie ermöglichen die chemische Kommunikation zwischen zwei Zellen.

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Welche Aufgaben haben Gap Junctions?

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Antwort

Die Gap Junctions verhindern, dass Moleküle oder Ionen in den extrazellulären Raum verloren gehen. Gap Junctions sind nur für bestimmte Stoffe durchlässig.

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Frage

Welche Aufgaben haben Gap Junctions?

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Antwort

Gap Junctions fungieren im Herzen, in Neuronen und in der Retina als elektrische Synapsen. 

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Frage

Was passiert bei einer Depolarisation an einer präsynaptischen Zelle?

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Antwort

Die Depolarisation führt zu einem Potentialgefälle zwischen den Zellen, die durch Gap Junctions verbunden sind. Dadurch fließen anschließend Kationen von der präsynaptischen Zelle in Richtung postsynaptische Zelle. Anionen fließen andersherum von der post- zur präsynaptischen Zelle

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Frage

Was passiert wenn der Schwellenwert an der postsynaptischen Membran überschritten wird?


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Antwort

Es kommt zu einem Aktionspotential. Das Signal kann dann ohne Zeitverzögerung weitergegeben werden und macht die Synchronisierung vieler Zellen möglich. Viele dieser Zellen spielen als Rythmusgeber eine wichtige Rolle, wie z.B. im Herzmuskel.

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Frage

Wie sind Tight Junctions aufgebaut?

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Tight Junctions bestehten aus integralen Membranproteinen, die sich in Form von Kopf-Kopf-Kontakten zusammenknüpfen. Die Proteine sind dann in Strängen angeordnet und bilden eine sogenannte Diffusionsbarriere. 

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Frage

Was sind die wichtigsten Membranproteine?

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Antwort

Die wichtigsten Membranproteine sind Occludine oder Claudine. 


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Frage

Wie können Tight Junctions unterschiedlich dicht sein?

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Antwort

Je nach dem wie die integralen Membraproteine zusammengesetzt sind, ist die Diffusionsbarriere unterschiedlich dicht.

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Frage

Warum werden Tight Junctions unterschiedlich dicht zusammengesetzt?

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Antwort

Tight Junction bilden abhängig von der Funktion des Epithels unterschiedliche dichte Netzwerke. Im Darm ist das Netzwerk eher lose aufgebaut. In der Blut-Hirn-Schranke sehr dicht. Je dichter des Netzwerk, umso weniger durchlässig ist es. 


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Frage

Wo kommen Tight Junctions vor?

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Antwort

Durch ihre Funktion als Diffusionsbarriere kommen Tight Junction zwischen den Epithelzellen vor. Z.B. im Darmepithel, in der Blut-Hirn-Schranke und im Nierenepithel.


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Frage

Wofür sorgen Tight Junctions im Darmepithel?

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Antwort

Im Darmepithel sorgen sie dafür, dass der Darminhalt nicht durch das Darmepithel ins Blut gelangt. 


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Frage

Wofür sorgen Tight Junctions in der Blut-Hirn-Schranke?

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Antwort

In der Blut-Hirn-Schranke verhindern sie, dass Substanzen unkontrolliert aus dem Blut ins Gehirn gelangen. 

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Frage

Was ist bei der Krankheit "Leaky Gut Syndrome" gestört?

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Antwort

Bei der Krankheit "Leaky Gut Syndrome" ist diese Diffusionbarriere gestört. Dabei können Giftstoffe und Bakterien aus dem Darm ins Blut gelangen und es kommt zu Krankheiten wie Akne, Migräne, und Entzündungen.


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Frage

Beschreibe die Funktion der Tight Junctions als Diffusionsbarriere.

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Antwort

Die Diffusionbarriere ist für bestimmte Moleküle durchlässig (= semipermeabel) und für einige nicht. Sie verhindern die parazelluläre Diffusion (bzw. das Eindringen) von Molekülen oder Ionen durch den Interzellularraum. Genauso verhindern sie das Ausströmen von Körperflüssigkeiten.


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Frage

Erkläre die Zaunfunktion der Tight Junctions.

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Antwort

Sie verhindern die Bewegung von Membrankomponenten und halten so die Zellpolarität aufrecht, indem sie die apikalen und basalen Membrankomponenten von einander separieren


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Frage

Wie sorgen Tight Junctions für mechanische Stabilität?

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Antwort

Tight Junctions sorgen für die mechanische Stabilisierung von Zellverbänden, in dem sie die Zytoskelette der Zellen miteinander verbinden. 

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Frage

Welche Krankheiten führen dazu, dass Tight Junctions nicht richtig funktionieren?

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Antwort

 Multiple Sklerose oder Diabetes mellitus.

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Frage

Was passiert bei multipler Sklerose?

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Antwort

Bei Multiple Sklerose entzündet sich das Gehirn immer wieder. Dadurch verliert die Blut-Hirn-Schranke ihre Schutzfunktion. Zellen der körpereigenen Immunabwehr können sie überwinden.


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Frage

Was passiert mit den Tight Junctions bei einem Schlaganfall?

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Bei einem Schlaganfall werden Tight Junctions in der Blut-Hirn-Schranke sogar abgebaut. 


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Warum sind Zell-Zell-Verbindungen wichtig?

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Zell-Zell-Verbindungen sind in Epithelien wichtig. Sie sorgen dafür, dass die Zellen in Zellverbänden zusammenhalten, verhindern Diffusion von Stoffen und ermöglichen den Stoffaustausch.

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Was sind Haftkontakte?

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Haftkontake (zonula adhaerens) sind mit den Aktinfilamenten der Zellen verbunden. Dadurch erscheint uns die Plasmamembran verdickt. Sie sorgen dafür, dass Zellen nah bei einander befestigt sind und Zugkräften widerstehen.

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Was sind Desmosomen?

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Desmosomen sind Zell-Zell-Verbindung, die für mehr mechanische Stabilität zwischen den Zellen sorgen. Sie sind im Gegensatz zu den Haftkontakten punktförmig und vergleichbar mit Drück- oder Schweißknöpfen. 

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Wie sind Desmosomen aufgebaut?

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Desmosomen bestehen aus einer Plaque, an der Proteine angelagert sind. Zum Interzellularraum sind sie mit Intermediärfilamenten verbunden. Im Interzellularspalt sind Cadherine befestigt. Die Cadherine benachbarter Zellen lagern sich zusammen und sorgen für die Stabilisierung der Zell-Zell-Kontakte.


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Was sind Tight Junctions?

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Tight-Junctions sind die Zell-Zell-Verbindungen, die den Interzellularspalt völlig verschließen können. Es befinden sich in Geweben, die dicht halten müssen, viele Tight Junctions

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Wo kommen Tight Junction häufig vor?

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Tight Junctions befinden sich meist da, wo Körperinneres gegen Körperäußeres abgegrenzt werden muss, da sie den Interzellularspalt sehr dicht verschließen.

Z.B. kommen sie im Epithel der Harnblase, im Darmepithel und in der Blut-Hirn-Schranke vor.

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Nennen Funktionen der Tight Junctions

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  • Tight Junctions sorgen für mechanische Stabiliät des Epithelzellverbandes.
  • Sie verhindern das Eindringen und Ausströmen von Molekülen und Flüssigkeiten.
  • Sie sind wichtig für den Schutz empfindlicher Organe gegen eindringende Mikroorganismen.
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Was sind Gap Junctions?

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Gap Junctions sind sogenannte Kommunikationskontakte. Sie ermöglichen den Austausch von Ionen, Wasser und anderen Stoffen zwischen den Zellen über Endo- und Exozytose. Dabei können nur kleinere Moleküle Gap Junctions passieren.

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Wie sind Gap Junctions aufgebaut?

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Gap Junctions sind aufgebaut aus sechs Connexinen, die ein Connexon bilden. Lagern sich die Connexone zwei benachbarter Zellen aneinander bilden sie einen Kanal. Hier können Moleküle und Ionen passieren. 


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Wo kommen Gap Junctions vor?

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Gap Junction kommen im Epithelgewebe, in den Herzmuskelzellen, im Nervengewebe und in der Retina vor. Im Herzen fungieren Gap Junctions als elektrische Synapsen.


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Welche Funktionen haben Gap Junctions?

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Gap Junctions sind wichtig für den Signal- und Stoffaustausch zwischen benachbarten Zellen. Sie lösen elektrische Signale aus und fungieren wie elektrische Synapsen (z.B. im Herzmuskel).


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Was sind hydrophobe Stoffe?

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 Hydrophobe Stoffe sind fettliebende Stoffe. Sie können die Zellmembran problemlos entlang des Konzentrationsgradientej passieren.

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Wie passieren hydrophobe Stoffe die Zellmembran?

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Hydrophobe Stoffe diffundieren von der Seite in der sie in hoher Konzentration vorliegen durch Diffusion zum Ort mit der niedrigen Konzentration.

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Wie passieren hydrophobe Stoffe die Zellmembran?

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Hydrophobe Stoffe diffundieren von der Seite in der sie in hoher Konzentration vorliegen durch Diffusion zum Ort mit der niedrigen Konzentration.

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Was sind hydrophile Stoffe?

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 Hydrophile Stoffe sind wasserliebende Stoffe und benötigen Proteine um die Zellmembran zu passieren.

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Wie passieren hydrophile Stoffe die Zellmembran?

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Hydrophile Stoffe passieren die Zellmembran über passiven und aktiven Transport.

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Was ist die Osmose?

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Der Diffusionsvorgang von Flüssigkeit durch eine semipermeable Membran wird als Osmose bezeichnet.

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Was bedeutet semipermeabel?

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Semipermeabel bedeutet, dass z.B. die Zellmembran nur für spezifische Stoffe durchlässig (= semipermeabel) ist.

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Was ist die Diffusion?

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Als Diffusion bezeichnet man die gleichmäßige Verteilung von Teilchen in einem abgeschlossenen System. Hierfür ist kein Energieaufwand für den Konzentrationsausgleich notwendig.

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Was ist verantwortlich für die Diffusion?

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Verantwortlich für die Diffusion ist die kinetische Energie der Teilchen bzw. die "Brownsche Molekularbewegung".

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Erkläre den passiven Transport kurz.

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Beim passiven Transport handelt sich um einen Stofftransport entlang eines Konzentrationsgefälles ohne Energiezufuhr. 

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Wie findet der passive Transport statt?

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Der passive Stofftransport kann über Kanal- oder Carrier-Proteine geschehen. Carrier sind auf spezifische Moleküle spezialisiert. Die Moleküle werden durch Carrier-Proteine von einer Seite der Membran auf die andere transportiert. Die Stoffe, die transportiert werden, strömen entlang des Konzentrationsgradienten durch den Transportkanal.

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Erkläre den aktiven Transport kurz.

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Beim aktiven Transport wird Energie benötigt für den Transport entgegen eines Konzentrationsgradienten.

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Welche zwei Arten des aktiven Transports gibt es?

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Primär aktiver Transport und sekundär aktiver Transport.

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Woher stammt die Energie beim primär aktiven Transport?

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Die Energie stammt vom ATP.  Die Ionen werden dann mithilfe von Transport-ATPasen durch die Cytoplasmamembran gepumpt und gelangen so von der Seite der niedrigeren auf die Seite der höheren Konzentration.

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Was ist eine bekannte Anwendung des primär aktiven Transports?

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Die Natrium-Kalium-Pumpe ist eine wichtige Anwendung. Hier werden, unter Verbrauch von ATP, drei positiv geladene Natrium-Ionen aus der Zelle hinaus und gleichzeitig zwei positiv geladene Kalium-Ionen in die Zelle hinein gepumpt. Diese Funktion ist wichtig für die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials in den Nervenzellen (Neuronen).

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Erkläre den sekundär aktiven Transport kurz. 

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Beim sekundären aktiven Transport wird ein bestehender elektrochemische Konzentrationsgradient genutzt, um einen Stoff gegen sein Konzentrationsgefälle zu transportieren. 

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Wann spricht man von einem Symport?

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Findet der sekundär aktive Transport in die selbe Richtung statt, wird von einem Symport gesprochen.

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Was ist die Zytose?

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Die Zytose beschreibt die Transportvorgänge zwischen Zellen, aber auch innerhalb einer Zelle. Der Transport geschieht über Vesikel oder durch Verschmelzung von Membranen.

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Erkläre die Exozytose kurz.

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Die Exozytose beschreibt ein Stofftransport vom Zellinneren (Intrazellelular) in den Extrazellularraum. Die Stoffe werden in Transportvesikeln verpackt und verschmelzen mit der Zellmembran. Gelangen die Vesikel zur Zellmembran, verschmelzen sie dann mit der Zellmembran und können ihren Inhalt freisetzen.

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​Erkläre die Endozytose kurz.

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Bei der Endozytose werden Moleküle vom Extrazellularraum in das Zellinnere aufgenommen. Die Endozytose geschieht über einen Einstülpungsvorgang in der Zellmembran.

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Welche zwei Typen der Endozytose gibt es?

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Die Pinozytose und die Phagozytose.

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Was ist die Pinozytose?

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Bei der Pinozytose werden Flüssigkeiten und darin gelöste Stoffe aus der Umgebung in das Innere der Zelle aufgenommen. Die Aufnahme geschieht über Vesikel.

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Was ist die Phagozytose?

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Bei der Phagzytose werden größere Mikroorganismen aufgenommen. Hierbei schnüren sich auch Abschnitte der Zellmembran ins Zellinnere ab. Die Aufnahme erfolgt über Phagosomen.

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