Aufnahmeverfahren Biomedizin und Biotechnologie 2024/25

Einleitung in die Biologie

• Die grundlegenden strukturellen und funktionellen Einheiten jedes Lebewesens sind Zellen.
• Die meisten Zellen sind zwischen 1 und 100 μm groß und daher nur unter dem Mikroskop erkennbar.
• Zellen besitzen eine Zellmembran, die den Innenraum von der Außenseite trennt.

Zelltypen

• Prokaryotische Zellen (Bakterien, Archaeen):
  • Kein Zellkern
  • DNA ist in einem Nukleoid oder Kernäquivalent konzentriert
  • Cytoplasmamembran ist eine dünne, leicht bewegliche Barriere
  • Starre Zellwand gibt der Zelle Form und Festigkeit
  • Fimbrien und Pili sind filamentöse Strukturen, die aus Proteinen bestehen
• Eukaryotische Zellen (Pflanzen, Tiere, Protisten):
  • Kompartimentiert
  • Zellkern enthält den Großteil des genetischen Materials
  • Innere Organisation in Kompartimente (Organellen) für spezielle Aufgaben

Struktur eukaryotischer Zellen

• Zellkern:
  • Von zwei eng aneinander liegenden Membranschichten umgeben
  • Durch Kernporen durchzogen
  • Innerer Kernspace enthält die Chromosomen
  • Chromosomen bestehen aus DNA und Proteinen (Chromatin)
• Organellen:
  • Endoplasmatisches Reticulum (ER)
  • Golgi-Apparat
  • Mitochondrien
  • Chloroplasten (in Pflanzen und Grünalgen)
  • Peroxisomen
  • Lysosomen
  • Vakuolen
  • Cytoskelett (Zentriolen, Mikrotubuli, Filamente)

Chromosomen

• Chromosomen sind Träger der Erbinformation in Form von DNA
• Chromosomen bestehen aus Chromatin (DNA und Proteinen)
• Im Lichtmikroskop sind Chromosomen nur sichtbar, wenn sie sich in Vorbereitung der Zellteilung verdichten.### Das Genom und der Zellkern
• Das Genom ist nicht nur auf den Zellkern beschränkt, sondern auch auf mitochondriale und chloroplastidiale DNA
• Der Zellkern ist von einer doppelten Membran umgeben, die Kernmembran
• Im Kerninneren befindet sich der Nucleolus, in dem die Gene für die Bildung von rRNA konzentriert sind
• Dort werden die RNA-Komponenten der Ribosomen erzeugt und mit ribosomalen Proteinen zu ribosomalen Untereinheiten zusammengebaut

Das Endomembransystem

• Das Endomembransystem besteht aus der äußeren Kernmembran, dem Endoplasmatischen Reticulum (ER), dem Golgi-Apparat, Lysosomen und Vakuolen
• Funktionell ist das Endomembransystem der Ort der Synthese von Proteinen und Membranbestandteilen
• Die Membranen des Endomembransystems stehen miteinander in Verbindung, haben jedoch unterschiedliche Zusammensetzung und Funktion

Das Endoplasmatische Reticulum (ER)

• Das ER ist ein stark verzweigtes Membrannetzwerk aus Röhren, Bläschen und abgeplatteten Strukturen
• Es kommt in zwei verschiedenen Formen vor: dem glatten ER (Synthese von Lipiden und Steroidhormonen) und dem rauen ER (Proteinsynthese)
• Die Hauptfunktion des glatten ER ist die Synthese von Lipiden und Steroidhormonen
• Im rauen ER werden Proteine synthetisiert, die mit einem speziellen Mechanismus direkt durch die Membran hindurch transportiert werden

Der Golgi-Apparat

• Der Golgi-Apparat ist eine Fabrik für Produktveränderung mit nachgeschalteter Sortieranlage und Frachtzentrum
• Er besteht aus abgeflachten Zisternen, die nicht wie das ER über Membranbrücken verbunden sind
• Die einzelnen abgeplatteten Stapel unterscheiden sich in ihrer Dicke und Zusammensetzung und weisen daher eine Polarität auf
• An der cis-Seite werden vor allem Transportvesikel aus dem ER empfangen, während an der trans-Seite Vesikel abgeschnürt werden, die ihren Inhalt an andere Orte der Zelle oder an die Plasmamembran befördern

Lysosomen

• Lysosomen sind kleine membranumschlossene Organellen, die in der Zelle die intrazelluläre Verdauung von Makromolekülen durchführen
• Im Inneren der Lysosomen herrscht ein saurer pH-Wert verglichen mit dem neutralen pH-Wert des Cytosols
• Die für die Zerlegung der Nahrungsbestandteile wichtigen hydrolytischen Enzyme haben einen optimalen Arbeitsbereich im sauren Milieu
• Lysosomen werden von der trans-Seite des Golgis als Vesikel abgeschnürt und verschmelzen mit sogenannten Endosomen

Vakuolen

• Die Funktionen von Vakuolen sind vielfältig und abhängig vom Zelltyp
• Sie können als Speichervakuole dienen und einen Vorrat von Proteinen in Samen anlegen
• Auch Ionen, Abfallprodukte, Gift-, Duft- und Farbstoffe können in Vakuolen gespeichert werden
• Bei Pflanzenzellen bieten Vakuolen einen einfachen Mechanismus durch Wasseraufnahme ihr Volumen beträchtlich zu vergrößern, wobei das Cytosol an die Zellmembran verdrängt wird

Ribosomen

• Ribosomen sind komplexe Gebilde aus RNA und ribosomalen Proteinen, die die Informationen für den Bau und Struktur der Proteine umsetzen
• Sie sind die Proteinsynthesemaschinerie der Zelle
• Sie bestehen aus zwei Untereinheiten, der kleinen und der großen ribosomalen Untereinheit

Mitochondrien und Chloroplasten

• Mitochondrien und Chloroplasten sind Organellen, die Energie in einer für die Zelle verwertbaren Form bereitstellen
• Sie gehören nicht zum Endomembransystem
• Sie besitzen jeweils eine kleine Menge eigenes genetisches Material in Form einer ringförmigen DNA und eine eigene Proteinsynthese an prokaryoten-artigen Ribosomen
• Mitochondrien sind die Organellen des Zellstoffwechsels, die den größten Anteil an ATP aus dem oxidativen Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen liefern
• Chloroplasten sind die Organellen der Photosynthese, die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie

Peroxisomen

• Peroxisomen sind kleine mit einer einzelnen Membran umhüllte Vesikel ohne eigene DNA
• In ihnen herrscht ein ideales Milieu für chemische Reaktionen, bei denen Wasserstoffperoxid erzeugt und abgebaut wird
• Peroxisomen spielen eine Rolle beim Abbau der langkettigen FettsäurenHere are the study notes:

Das Cytoskelett

• Das Cytoskelett ist ein komplexes Netzwerk aus Proteinfilamenten, das sich durch das gesamte Cytoplasma erstreckt.
• Es hilft bei der mechanischen Stabilität der Zelle, bei der Bewegung der Zelle und bei der Organisation der Zellkomponenten.
• Das Cytoskelett besteht aus drei Haupt-Fasertypen:
  • Mikrotubuli (Durchmesser: 25nm)
  • Mikrofilamente (Durchmesser: 5-9nm)
  • Intermediärfilamente (Durchmesser: circa 10nm)

Mikrotubuli

• Mikrotubuli sind lange Hohlzylinder, gebildet aus den Proteinen α- und β-Tubulin.
• Sie sind wesentlich starrer als Aktinfilamente.
• Mikrotubuli sind mit einem Ende meist an einem einzigen Mikrotubuli-organisierenden Zentrum (MTOC) befestigt.
• Hauptfunktionen: Aufrechterhaltung der Zellgestalt, Zellbewegung, Chromosomenaufteilung bei der Zellteilung, intrazellulärer Transport von Organellen und Vesikeln.

Aktinfilamente

• Aktinfilamente sind zweisträngige, helikale Polymere aus dem Protein Aktin.
• Sie sind flexible Stränge mit einem Durchmesser von 5-9nm.
• Aktinfilamente sind überall in der Zelle verteilt, ihre größte Dichte erreichen sie jedoch in der Zellrinde (Cortex) unmittelbar unterhalb der Plasmamembran.
• Hauptfunktionen: Aufrechterhaltung der Zellgestalt, Veränderung der Zellgestalt, Zellbewegung, Muskelkontraktion, Cytoplasmaströmung, Zellteilung.

Intermediärfilamente

• Intermediärfilamente sind seilähnliche Fasern mit einem Durchmesser von circa 10nm.
• Sie bestehen aus den Intermediärfilament-Proteinen, die eine große, einheitliche Familie bilden.
• Intermediärfilamente sind extrem haltbare und langlebige Strukturen, die der Zelle mechanische Festigkeit verleihen.
• Hauptfunktionen: Aufrechterhaltung der Zellgestalt, Verankerung des Zellkerns und anderer Organellen, Bildung der Zellkernlamina.

Zell-Zell-Kommunikation

• Zellen eines Zellverbandes haben miteinander Kontakt und kommunizieren miteinander.
• In pflanzlichen Zellen ermöglichen Plasmodesmen (oder Plasmodesmata) einen Austausch von Wasser und gelösten niedermolekularen Stoffen.
• In tierischen Zellen dienen Gap junctions (auch Nähekонтакte genannt) dem Austausch von kleinen Molekülen.
• Tight junctions und Desmosomen verbinden die Zellen in einem Zellverband mechanisch miteinander.

Genetik

• Die Gesamtheit der Erbanlagen eines Organismus wird als Genom bezeichnet.
• Die wesentlichen Informationsträger der Erbanlagen sind die Chromosomen.
• Die Chromosomen bestehen aus langen Molekülen der Desoxyribonucleinsäure (DNA), die von Proteinen (Histonen) verpackt werden.
• Die DNA ist ein Kettenmolekül, das aus den Bausteinen Zucker, Phosphatbrücken und den organischen Basen (Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin) besteht.

Der Zellzyklus

• Der Zellzyklus wird in 4 verschiedenen Phasen aufgeteilt:
  • M-Phase (Mitose mit anschließender Cytokinese)
  • Interphase
  • G1-Phase (Gap1-Phase/Lücke 1)
  • S-Phase (Synthesephase/DNA Synthese)
  • G2-Phase (Gap2-Phase/Lücke 2)
• In der S-Phase wird die DNA verdoppelt.
• Die Chromosomen bestehen nach der Verdopplung aus 2 eng beieinanderliegenden Schwesterchromatiden aus identischer DNA.
• In der M-Phase werden die Schwesterchromatiden auf die Tochterzellkerne verteilt.