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Zellbiologie

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Zellbiologie

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. Es wird untersucht, wie Zellen arbeiten, wie sie sich verändern und wie sie miteinander interagieren. Es werden Mikroskope und andere Werkzeuge genutzt, um Zellen im Detail zu betrachten.

Zellbiologie Definition

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.

Zellbiologie Geschichte

Hier erhältst Du einen kurzen Überblick über die Geschichte und die bedeutendsten Entwicklungsschritte der Zellbiologie.

Anfänge der Zellbiologie

Ihren Beginn findet die Zellbiologie 1590 mit der Erfindung des einfachen Lichtmikroskops durch die Brüder Janssen. Dieses Mikroskop besteht allerdings nur aus zwei Linsen, dem Objektiv und dem Okular. Daraufhin entdeckte Robert Hooke 1665 durch diese Apparatur kleine Hohlräume im Korken einer Flasche. Diese Hohlräume nannte er übersetzt Zellen, womit der den Zellbegriff fundamental prägte.

Entdeckung der ersten Mikroorganismen

Die ersten Mikroorganismen, wie Bakterien oder Einzeller wurden zwischen 1674 und 1700 durch Antoni von Leeuwenheok entdeckt. Er erreichte mit seinen selbst gebauten Lichtmikroskopen eine 270-fache Vergrößerung. So untersuchte er bereits die roten Blutkörperchen.

Erste Beschreibungen der Zellorganismen

1831 wurde durch Robert Brown der Zellkern einer Orchideen-Zelle entdeckt. Daraufhin beschrieben Matthias Schleiden und Theodor Schwann den Aufbau der Zellen und stellten fest, dass lebende Organismen aus Zellen bestehen müssen. Sie formulierten grundlegende Aussagen der Zellenlehre.

Durch Rudolf Virchow wurde 1855 entdeckt, dass die Entwicklung der organischen Welt eine ununterbrochene Kette von Zellteilungen darstellt und jede Zelle aus einer anderen entsteht.

Robert Koch beschreibt 1882 erstmals das Tuberkel-Bakterium, das er durch ein Lichtmikroskop entdeckte. Dieses Bakterium löst die Krankheit Tuberkulose aus.

Theodor Schwann ist unter anderem auch der Entdecker der Schwann'schen Zellen, die im peripheren Nervensystem eine wichtige Rolle spielen. Wenn Du darüber mehr erfahren möchtest, dann schau doch gerne bei der StudySmarter Erklärung zum Nervensystem vorbei!

Zellbiologie Themen

Die Zellbiologie befasst sich ähnlich wie die Biochemie mit der Struktur und Funktion von Zellen. Es geht darum, ihren Aufbau, ihre molekularen Bestandteile und die Untergliederung in Kompartimente und Organellen zu untersuchen.

Des Weiteren werden auch Prozesse wie die Zellteilung, Bewegung, Organbildung und Zellkommunikation genauer betrachtet. Somit überschneidet sich der Bereich der Zellbiologie mit dem Aufgabenbereich der Biochemie und der Medizin. Auch sind die Grenzen zur unter anderem der Genetik aufgrund ihrer molekularen Ausrichtung fließend.

Molekularbiologie

Ein Überbegriff der Zellbiologie kann auch die Molekularbiologie sein. Hier werden Kohlenhydrate, Proteine, Lipide und Nukleinsäuren sowie ihre Wechselwirkungen miteinander im Plasma der Zelle untersucht. Nicht zuletzt werden auch die Organisationsprinzipien und der Energie- und Baustoffwechsel von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen sowie die Weitergabe und Umsetzung der Erbinformation erforscht.

Schlussendlich werden auch mögliche Störungen der biochemischen Abläufe beim Menschen lokalisiert.

Unter dem Begriff Mikroorganismen sind alle Einzeller, wie Bakterien oder Pilze zusammengefasst. Experten streiten allerdings, ob Viren auch zu dieser Kategorie gezählt werden sollen. Denn definitionsgemäß gehören Viren nicht zu Zellern. Sie sind keine Lebewesen. Sie besitzen keinen eigenen Stoffwechsel und sind von ihrem Wirt abhängig. Dementsprechend können Viren sich auch nicht allein fortpflanzen. Sie benötigen die zelluläre Struktur ihres Wirts. Dementsprechend werden Viren nicht in der Zellbiologie, sondern in der Virologie betrachtet.

Zellbiologie Grundlagen

Die Zellbiologie besteht aus verschiedenen Bestandteilen, die es zu verstehen gilt, wenn man erfolgreich Zellen untersuchen möchte. Aber auch um die Funktionsweise der Zellen zu verstehen, ist es wichtig, den Zellaufbau oder auch Zellorganellen sowie andere Bestandteile näher zu betrachten.

Zellaufbau

Grundsätzlich unterscheidet man in der Zellbiologie sowohl zwischen Prokaryoten und Eukaryoten, als auch zwischen Einzellern und Mehrzellern.

Prokaryoten

Unter dem Begriff Prokaryoten werden Bakterien, Archaeen und Cyanobakterien zusammengefasst.

Unter Prokaryoten versteht man Lebewesen, die ihre DNA nicht wie die Eukaryoten in einem Zellkern tragen, sondern als loses Knäuel im Zellplasma. Die Zelle ist kaum strukturiert und besitzt keine Kompartimentierung.

Der Begriff Kompartimentierung bedeutet in der Biologie die Unterteilung einer Zelle, oder anderen Strukturen in verschiedene Teilbereiche (Kompartimente). In den verschiedenen Kompartimente können unterschiedliche Bedingungen herrschen.

Eukaryoten

Unter dem Begriff Eukaryoten werden typischerweise Zellen von Tieren, Pflanzen und Pilzen zusammengefasst.

Die eukaryotische Zelle ist in funktionsorientierte Kompartimente aufgeteilt und der überwiegende Teil des Erbmaterials ist im Zellkern zu finden.

Ein- und Mehrzeller

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.

Wenn Du mehr über die verschiedenen Prokaryoten, Eukaryoten, Ein- oder Mehrzeller erfahren möchtest, kannst Du in der passenden StudySmarter Erklärung vorbeischauen.

Zellorganellen

Die Zellorganellen sind Bereiche innerhalb einer Zelle, die durch Membranen 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 die Mitochondrien, den Zellkern, den Golgi-Apparat und das endoplasmatische Retikulum. Vakuole und Plastiden sind Zellorganellen, die dagegen nur in Pflanzenzellen vorkommen.

Ausführliche Informationen zu den einzelnen Zellorganellen der Zellbiologie findest Du auf StudySmarter in der Erklärung zu Eukaryoten.

Zell-Zell-Verbindungen

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

Diffusion bezeichnet den physikalischen Prozess, bei dem ohne äußere Einflüsse eine gleichmäßige Verteilung von Teilchen stattfindet. Dadurch kommt es zu einer vollständigen Durchmischung zweier Stoffe. Dieses Prinzip basiert auf der thermischen Bewegung von Teilchen. Der Begriff stammt aus dem Lateinischen diffundere und bedeutet so viel wie "ausgießen, verstreuen, ausbreiten"

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

Biomembran

Die Biomembran besteht aus einer Doppel-Lipidschicht, welche die Grenzflächen aller Zellen und der darin enthaltenen Kompartimente bilden. Die Bildung und Anordnung einer Lipid-Doppelschicht wird durch die unterschiedliche Polarität in Fettmolekülen erklärbar. Biomembranen sind selektiv aufgebaut und sorgen somit für den Stoffaustausch zwischen den Zellen. Sie lassen durch ihre semipermeable (selektiv durchlässig) Lipidschicht die Stoffe heraus und herein, die ausgetauscht werden sollen.

Zudem sind sie für die Kompartimentbildung in der Zelle zuständig. Das 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.

Autotrophie

Autotrophie bedeutet aus dem Griechischen übersetzt "sich selbst ernährend". Ihre Energie beziehen autotrophe Lebewesen ausschließlich aus anorganischen Stoffen. Außerdem sind sie in der Lage, energiereiche Verbindungen selbstständig aufzubauen.

Pflanzen oder Lebewesen, die Fotosynthese betreiben, beziehen ihre Energie beispielsweise aus dem Sonnenlicht.

Heterotrophie

Heterotrophe Organismen benötigen organische Stoffe als Material für ihre Körpersubstanz. Dadurch sind sie in ihrer Ernährung auf organische Stoffe und von anderen Lebewesen abhängig. Sie müssen energiereiche Verbindungen aus ihrer Umwelt aufnehmen. Zu ihnen gehören Pilze und die meisten Bakterien. Man nennt sie in der Nahrungskette des Ökosystems auch Sekundärproduzenten.

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 essenzielle 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 von Enzymen gesteuert.

Dabei gibt es Enzyme in den verschiedensten Variationen. Zu den Hauptaufgaben von Enzymen zählen etwa das Aufbauen, Abbauen oder Umbauen von Molekülen. An der typischen Endung “-ase” erkennst Du, dass es sich hierbei vermutlich um ein Enzym handelt.

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 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, kleinste Mikroorganismen für das Auge sichtbar zu machen. Während Bakterien beispielsweise auch unter dem Lichtmikroskop noch sichtbar sind, können Viren lediglich unter dem Elektronenmikroskop wahrgenommen werden.

Weitere Methoden, um die Funktionsweise von Zellen zu verstehen, sind die histochemische Färbung und die Fluoreszenzfärbung. Bei der histochemischen Färbung reagiert das Farbreagenz in einer chemischen Reaktion mit bestimmten Zellbestandteilen und hebt sie dadurch optisch hervor. Die Fluoreszenzfärbung wird im Bereich der Elektrophorese angewandt. Mithilfe einer proteinspezifischen Färbung werden die gewünschten Proteine gefärbt. Somit können sie von anderen Strukturen abgehoben und unter dem Elektronenmikroskop besser betrachtet werden.

Genaueres zu den einzelnen Methoden findest Du in den entsprechenden Erklärungen dazu auf StudySmarter!

Zellbiologie der Pflanzen

Pflanzen besitzen, gleichsam wie andere Lebewesen, Zellen als ihre Lebensgrundlage. Allerdings unterscheidet sich ihr Aufbau etwas von dem der tierischen Zelle. Sie besitzen eine Zellwand, die Schutz bietet und die Form der Zelle erhält. In ihrem Zellplasma schwimmen verschiedene Zellorganellen, die die Pflanze mit Energie und anderen wichtigen Stoffen versorgt. Eine Pflanzenzelle gehört zu den eukaryotischen Zellen.

Hier siehst Du die Zellorganellen der Pflanzenzelle aufgelistet:

Wenn Du mehr über die Pflanzenzelle erfahren möchtest, dann schaue doch gerne bei der StudySmarter Erklärung dazu vorbei!

Zellbiologie der Tiere

Auch tierische Zellen gehören zu den Eukaryoten. Sie ähneln der Pflanzenzelle, allerdings stimmen nicht alle Organellen überein. Während die Pflanzenzelle eine Zellwand besitzt, ist diese bei Tierzellen nicht vorhanden. Sie besitzen eine höhere Beweglichkeit, sind dafür aber auch anfälliger für Verletzungen. Auch besitzen die Tierzellen keine Vakuole und keine Plastiden.

Hier siehst Du die Zellorganellen der Tierzelle aufgelistet:

Die Aufgaben und der genaue Aufbau der Tierzelle erfährst Du im StudySmarter Artikel dazu!

Zellbiologie der Mikroorganismen

Mikroorganismen bestehen ganzheitlich aus prokaryotischen Zellen. Wie bereits erwähnt, besitzen diese keinen Zellkern. Auch besitzen sie keine membranbegrenzte Organellen wie das Endoplasmatische Retikulum oder den Golgi-Apparat.

Ihre Organellen findest Du hier aufgelistet:

Wenn Du mehr zum Thema Prokaryoten erfahren möchtest, dann schaue gerne bei der dazugehörigen StudySmarter Erklärung vorbei!

Zellbiologie - Das Wichtigste

    • In der Zellbiologie wird in Prokaryoten und Eukaryoten und Einzeller und Mehrzeller unterschieden.
    • Die Zellorganellen sind Bereiche innerhalb einer Zelle, die durch Membranen voneinander abgegrenzt werden
    • Damit Zellen sich miteinander austauschen können, brauchen sie Zell-Zell-Verbindungen.
    • Die Biomembran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht, sie bildet Kompartimente
    • Unter dem Begriff Stoffwechsel versteht man alle chemischen Reaktionen, die innerhalb einer Zelle stattfinden
    • Enzyme beschleunigen die biochemischen Reaktionen im Körper und werden daher auch oft als Biokatalysatoren bezeichnet
    • Zellen werden durch zellbiologische Methoden untersucht, bspw. Mikroskopie oder Fluoreszenzfärbung

Nachweise

  1. thieme.de: Zellbiologie (19.07.2022)
  2. open.vhb.org: Zellbiologie (19.07.2022)
  3. lichtmikroskop.net: Erfindung des Lichtmikroskops (19.07.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Zellbiologie

Die Zelle wird auch als Basis jeglichen Lebens bezeichnet. Sie ist der Grundbaustein, der jeder Mensch zum Leben braucht.

Die Zellen versorgen den Körper mit Energie. Außerdem steuern sie den Stoffaustausch. Durch die ständige Erneuerung und Zellteilung entsteht Wachstum.

Die Lehre von Zellen wird Zytologie genannt.

Sie besagt, dass lebende Organismen aus Zellen bestehen müssen.

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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Antwort

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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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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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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Definiere Gewebe.

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Als Gewebe werden Zellverbände bezeichnet, die eine gemeinsame Funktion oder Struktur aufweisen. Zum Gewebe gehören neben den vorhandenen Zellen außerdem die vorliegende extrazelluläre Matrix (EZM).

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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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Wie groß sind Gap Junctions ungefähr?

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Gap Junctions haben einen Durchmesser von bis zu 2 Nanometern. 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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Gap Junctions durchziehen zwei benachbarte Membranen, sie verbinden dabei das Cytoplasma der einen mit dem Cytoplasma der anderen Zelle. 

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Wo kommen Gap Junctions vor?

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Sie kommen in fast allen Körpergeweben vor, wo Zellen miteinander in Kontakt treten. Beim Erwachsenen kommen sie besonders im Herzmuskelgewebe und in der Retina vor.


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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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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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Welche Aufgaben haben Gap Junctions?

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

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Was passiert bei einer Depolarisation an einer präsynaptischen Zelle?

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


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

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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 um die Zelle herum angeordnet und bilden eine sogenannte Diffusionsbarriere. 

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Was sind die wichtigsten Membranproteine in Bezug auf Tight Junctions?

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Die wichtigsten Membranproteine sind Occludine oder Claudine. 


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Bei Morbus Crohn entsteht eine chronische Entzündung des Darms durch ...

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... Infektionen durch Bakterien.

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Warum werden Tight Junctions unterschiedlich dicht zusammengesetzt?

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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 das Netzwerk, desto weniger durchlässig ist es. 


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Wo kommen Tight Junctions vor?

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Durch ihre Funktion als Diffusionsbarriere kommen Tight Junctions zwischen den Zellen des Epithels oder des Endothels vor. Beispiele sind das Darmepithel, die Blut-Hirn-Schranke und das Nierenepithel.


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Wofür sorgen Tight Junctions im Darmepithel?

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


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

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

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

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Bei der Krankheit "Leaky Gut Syndrome" ist die 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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Tight Junctions ...

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... sind selektiv durchlässig.

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Erkläre die Zaunfunktion der Tight Junctions.

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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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Tight Junctions sorgen für mechanische Stabilität, indem sie ...

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... die Zytoskelette der Zellen miteinander verbinden.

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Bei welchen Krankheiten funktionieren Tight Junctions nicht richtig?

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 Multiple Sklerose oder Morbus Crohn.

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Was passiert bei multipler Sklerose?

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


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Was passiert mit den Tight Junctions bei einem Schlaganfall?

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


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Warum sind Zell-Zell-Verbindungen wichtig?

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Damit die Funktionalität eines Gewebes gewährleistet werden kann, ist es wichtig, dass die einzelnen Zellen des Zellverbandes miteinander kommunizieren und gemeinsam eine strukturelle Einheit bilden. Dies wird durch sogenannte Zell-Zell-Verbindungen erreicht.

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Was sind Haftkontakte?

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Haftkontakte (auch Adhäsionskontakte) haben die Funktion, Zellen miteinander oder mit der extrazellulären Matrix zu verbinden. So gewährleisten Haftkontakte den Zusammenhalt und eine ausreichende Stabilität von Zellverbänden.

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Was sind Desmosomen?

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Desmosomen (Macula adhaerens) sind punktförmige Strukturen, welche Du Dir als Schweißpunkten zwischen Zellen vorstellen kannst. Sie verbinden Zellen miteinander und sorgen so für Stabilität und Zusammenhalt und gehören damit zu den Haftkontakten.

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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 (engl. enge Verbindung) (auch Zonula occludens) sind dichte Verknüpfungen zwischen zwei Zellen, welche den Stofftransport im Raum zwischen den Zellen (Interzellulärspalt) verhindern. Sie bilden eine Diffusionsbarriere, damit keine unerwünschten Stoffe in das Gewebe eindringen können. 

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Wo kommen Tight Junctions häufig vor?

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Tight Junctions befinden sich meist da, wo inneres vom äußerem des Körpers 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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Sie bilden eine Diffusionsbarriere, damit keine unerwünschten Stoffe in das Gewebe eindringen können. Dort, wo Tight Junctions vorliegen, liegen die Zellmembrane der Zellen so nah beieinander, dass gewissermaßen kein Interzellularraum vorhanden ist.

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Was sind Gap Junctions?

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Gap Junctions gehören zu den Kommunikationskontakten. Sie sind Proteinröhren, welche von einer Zelle bis in die angelagerte Zelle reichen und somit einen Austausch zwischen den Zellen ermöglichen.


Gap Junctions ermöglichen den Transport von Ionen und Molekülen zwischen zwei Zellen. So gewährleisten Sie den Stofftransport und die Übertragung von elektrischen Signalen.

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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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Definiere extrazelluläre Matrix.

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Die extrazelluläre Matrix (EZM) ist die Gesamtheit aller Makromoleküle bzw. Strukturbestandteile eines Gewebes, welche nicht zu den lebenden Zellen gehören.


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Welche Funktionen haben Gap Junctions?

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Antwort

Gap Junctions ermöglichen den Transport von Ionen und Molekülen zwischen zwei Zellen. So gewährleisten Sie den Stofftransport und die Übertragung von elektrischen Signalen.

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Welche zwei grundlegenden Arten von molekularem Zelltransport kennst Du?

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Der Stofftransport durch die Biomembran beschreibt den Transport von Molekülen von einer Seite auf die andere Seite der Biomembran. Je nach Art des Stofftransports wird dabei die Hilfe von Proteinen oder die Bereitstellung von Energie benötigt. 


Stofftransporte mittels Zytose sind Transportvorgänge von größere Partikeln. Dabei werden entsprechende Partikel von der Biomembran eingeschlossen. Anschließend werden die Partikel innerhalb der entstandenen Umhüllung (Vesikel) transportiert.

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Definiere Stofftransport (Biologie).

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Stofftransport (Biologie) beschreibt den Transport von anorganischen und organischen Stoffen innerhalb von Organismen. Hierzu gehören beispielsweise der Transport von Wasser, Salzen, Nährstoffen und Stoffwechselprodukten.

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Definiere semipermeabel.

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Die Biomembran ist semipermeable (halbdurchlässig), da sie für einige Teilchen durchlässig ist, aber für andere wiederum nicht. Hierbei spielen vorwiegend die Größe und die Ladung der Teilchen eine Rolle.

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Definiere Transmembranprotein.

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Transmembranproteine (auch integrale Proteine) sind Proteine, welche über den gesamten Querschnitt einer Biomembran in ihr eingelagert sind. Hierzu gehören unter anderem Kanalproteine (Transportproteine).


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Was ist Diffusion?

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Teilchen haben natürlicherweise eine Eigenbewegung. Hierbei ist die Richtung in der sich die Teilchen bewegen von der Konzentration abhängig. Teilchen bewegen sich in der Regel vom Ort hoher Konzentration zum Ort niedriger Konzentration. Sie streben einen Konzentrationsausgleich an. Man spricht von sogenannter Diffusion.

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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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Erkläre die erleichterte Diffusion.

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Die erleichterte Diffusion beschreibt den passiven Transport (Diffusion) über eine Biomembran mithilfe von Transmembranproteinen. Transportproteine werden für den Stofftransport immer dann benötigt, wenn Teilchen aufgrund ihrer Größe und Ladung die Biomembran nicht ohne Weiteres passieren können. Die Teilchen wandern entlang des Konzentrationsgradienten.


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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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Welche Arten von passivem Transport kennst Du ?

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Zum passiven Stofftransport gehören die einfache und erleichterte Diffusion. 

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Erkläre den aktiven Transport kurz.

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Beim aktiven Transport wird Energie benötigt, um den Transport entgegen eines Konzentrationsgradienten zu gewährleisten.

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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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Antwort

Die Energie stammt vom ATP.  Die Moleküle werden mithilfe von Transport-ATPasen durch die Zellmembran befördert.

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Nenne die Vorteile einer rezeptorvermittelten Endozytose.

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Die rezeptorvermittelte Endozytose hat zwei entscheidende Vorteile. Sie gewährleistet eine gezielte und regulierte Aufnahme von Teilchen. Des Weiteren ermöglicht sie die Aufnahme von Stoffen, welche außerhalb der Zelle nur in geringen Konzentrationen vorhanden sind.

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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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Antwort

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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Stofftransporte mittels Zytose sind Transportvorgänge von größere Partikeln. Dabei werden entsprechende Partikel von der Biomembran eingeschlossenen. Anschließend werden die Partikel innerhalb der entstandenen Umhüllung (Vesikel) transportiert.

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Erkläre die Exozytose kurz.

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Die Exozytose beschreibt ein Stofftransport vom Zellinneren (Intrazellular) in den Extrazellularraum. Die Stoffe werden in Transportvesikeln verpackt und zum Zellmembran transportiert. Dort verschmilzt der Vesikel mit der Biomembran, wodurch der Inhalt freigesetzt wird.

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​Erkläre die Endozytose kurz.

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Antwort

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 Typen der Endozytose kennst Du?

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Die Pinozytose, die Phagozytose und die rezeptorvermittelte Endozytose.

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

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In welche Teilreaktionen lässt sich die Fotosynthese gliedern?

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  • Lichtreaktion
  • Calvin-Zyklus (Dunkelreaktion)
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Wo läuft die Lichtreaktion ab?

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Die Lichtreaktion läuft in der Thylakoidmembran der Chloroplasten ab.

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Wo läuft der Calvin-Zyklus ab?

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Der Calvin-Zyklus läuft innerhalb des Stroma in den Chloroplasten ab.

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Warum hat eine Pflanze verschiedene Fotopigmente?

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Um Licht verschiedener Wellenlängen absorbieren zu können.

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Wie heißt der charakteristische Pflanzenfarbstoff?

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  • Chlorophyll
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Was bewirkt der Elektronentransport innerhalb der Elektronentransportkette während der Lichtreaktion?

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Der Elektronentransport liefert die Energie für den aktiven Transport von Protonen (H+) aus dem Stroma in den Thylakoidinnenraum. 

Durch den aktiven Transport wird eine hohe Konzentration an Protonen im Thylakoidinnenraum geschaffen, sodass Protonen mit dem Konzentrationsgefälle durch die ATP-Synthase zurück ins Stroma diffundieren. Dabei kann ATP aus ADP+P gewonnen werden. 

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Woraus besteht ein Fotosystem?

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Ein Fotosystem ist ein Komplex aus:

  • Membranprotein
  • Lichtsammelkomplexen aus Fotopigmenten
  • Reaktionszentrum 
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Welcher Schritt gehört nicht zum Calvin-Zyklus?

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Reduktion

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Beschreibe den Ablauf der Lichtreaktion.

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  • Lichtenergie wird von Fotosystem 2 absorbiert
  • Angeregtes Elektron wird über die Elektronentransportkette auf Fotosystem 1 übertragen
  • Am Fotosystem 1 wird das angeregte Elektron nach weiteren Zwischenschrittenauf NADP+ übertragen und es entsteht NADPH+H+


  • Der Elektronentransport liefert die Energie um Protonen über Membranproteine aus dem Stroma in den Thylakoidinnenraum zu pumpen
  • Die Protonen fließen mit dem Konzentrationsgefälle durch die ATP-Synthase und ermöglichen damit die Bildung von ATP
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Beschreibe den Ablauf des Calvin-Zyklus für insgesamt ein Molekül Glucose.

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  • CO2-Fixierung: aus 6 CO2 und 6 C5-Molekülen (Ribulose-1,5-bisphosphat) werden 6 C6-Moleküle gebildet, welche direkt in 12 C3-Moleküle (3-Phosphoglycerinsäure; PGS) zerfallen
  • Reduktion: Unter dem Aufwand von 12 ATP und 12 NADPH+H+ werden die 12 C3-Moleküle (Glycerinaldehyd-3-phosphat; G3P) umgewandelt, wobei 2 C3-Moleküle (G3P) zu einem Molekül Glucose umgewandelt werden
  • Regeneration: 10 C3-Moleküle werden zu 6 C5-Molekülen (Ribulose-1,5-bisphosphat) umgewandelt, wobei 6 ATP verbraucht werden. Die C5-Moleküle stehen nun für eine erneute CO2-Fixierung zur Verfügung.  
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Welche Faktoren beeinflussen die Fotosyntheseleistung?

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  • Lichtintensität
  • Wellenlänge des einfallenden Lichts
  • Temperatur
  • CO2-Konzentration
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Warum nimmt die Fotosyntheseleistung ab 38 °C rapide ab?

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Ab ca. 38 °C beginnen die Proteine, die den Calvin-Zyklus katalysieren, zu denaturieren.  

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Wie ist der Lichtkompensationspunkt definiert?

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Der Lichtkompensationspunkt ist der Punkt, an dem die Pflanze durch Fotosynthese so viel CO2 fixiert, wie sie durch die Zellatmung an die Umgebung abgibt. 

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