Hallo und herzlich willkommen. Es freut mich, dass du wieder hergefunden hast zum 2. Teil unserer Reise. Heute schauen wir uns zwei Kennzeichen des Lebendigen im Zusammenhang mit der Zelle an: den Stoffwechsel (eigentlich nur einen kleinen Teil davon, nämlich, wie Stoffe ins Innere, also durch die Zellmembran kommen) und die Vermehrung durch Zellteilung.
Aufbau der Zellmembran
Fangen wir an! Nicht nur wir Menschen, sondern auch Zellen sind hungrig. Schließlich haben wir z. B. gelernt, dass die Mitochondrien Energie herstellen. Allerdings brauchen sie – genauso wie wir – auch Nahrung dafür, also Stoffe, die von außen über die Blutgefäße angeliefert werden, z. B. Glucose. Die Stoffe gelangen über die Zwischenzellflüssigkeit zur Zelle und dann über aktiven oder passiven Transport – je nach Stoff – durch die Zellmembran.
Die Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht (Lipide sind Fette). und in diese Lipiddoppelschicht sind Eiweiße, sog. Membranproteine ein- und angelagert. Die Bestandteile werden von einem Organell hergestellt. Kannst du dir denken, von welchem?
-> vom glatten ER . Um das ganze noch etwas komplizierter zu machen, was fehlt in der Gruppe der Nährstoffe?
-> Wir haben Fette, Eiweiße und? Genau Kohlenhydrate. Die sind hier auch mit im Spiel. Die Membranproteine sind nämlich häufig sog. Glykoproteine, also Eiweiße, die Kohlehydrat-Ketten an sich gebunden haben. Vielleicht hast du schonmal gehört, dass es eine Glykokalyx an der Außenfläche der Zellmembran gibt. Hier spielen diese Glykoproteine eine Rolle, aber das nur am Rande. Das wird z. B. wichtig, wenn man über Antigene und Blutgruppen spricht.
Und noch eine interessante Sache: Cholesterin ist ein wichtiger Bestandteil der menschlichen Zellmembran. In der Zellmembran von Pilzen wird dieses durch das verwandte Ergosterol ersetzt. Die Produktion – in der Medizin nennt man das Synthese – dieses Ergosterols wird durch Anti-Pilz-Medikamente (Antimykotika) unterdrückt. Und da das Ergosterol in unseren Zellen nicht vorkommt, werden sie dadurch auch nicht angegriffen.
Transport durch die Zellmembran
Die Zellmembran ist semipermeabel. Das bedeutet, sie ist für Wasser und bestimmte kleine Teilchen durchlässig. Nämlich für sogenannte lipophile Stoffe, also Stoffe, die fettlöslich sind. Kann man sich gut wegen der Doppellipidschicht merken.
Passiver Transport
Hier findet ein passiver Transport statt, also ohne Energieaufwand und zwar durch Diffusion, Filtration oder Osmose bzw. ist es eigentlich immer einer Mischung aus diesen drei Verfahren.
Filtration
Filtration ist am einfachsten zu verstehen, denn jeder kennt
wahrscheinlich gefilterten Kaffee: Die großen Teile bleiben im Filter zurück, das Wasser und darin gelöste Teilchen laufen durch den Filter in die Kanne. Im Körper ist ein Beispiel das Abpressen der Nährstoffe aus den kleinsten Blutgefäßen – den Kapillaren – durch den Filter Kapillarwand in den Zwischenzellbereich. Wasser und kleine Teilchen, wie z. B. Glucose, passen durch den Filter, größere Teilchen wie Bluteiweiße und Blutzellen werden im Normalfall zurückgehalten und bleiben in den Kapillaren.
Diffusion
Zusätzlich spielt hier aber auch die Diffusion eine Rolle, die ohne Energieaufwand die Nähr- und Abbaustoffe zwischen Zellen – Zwischenzellbereich und Kapillaren verteilt
Diffusion bezeichnet die Selbstdurchmischung einer Lösung.
Beispiel: Gib einen Würfel Zucker in den Tee und lass ihn laaaaaange stehen. Irgendwann hat die Diffusion bewirkt, dass es keinen Konzentrationsunterschied im Tee mehr gibt, sprich, der Zucker hat sich aufgelöst. Für die Interessierten: die Teilchen bewegen sich, stoßen aneinander, stoßen sich so ab und entfernen sich auf diese Weise immer mehr voneinander, also vom Ort der höheren zum Ort der niedrigeren Konzentration. Und da die Eigenbewegung mit der Temperatur steigt, löst sich der Zucker in heißem Tee schneller auf als in kaltem.
Osmose
Das hat bei mir etwas gedauert, bis ich das verstanden habe. Aber ich versuche mal, es für dich verständlich zu machen. Osmose findet dann statt, wenn wir eine semipermeable Membran haben und auf einer Seite dieser Membran Stoffe, die nicht durch können, also wo reine Diffusion nicht möglich ist, weil die Membran die Verteilung in der Lösung verhindert. Nun ist es so, dass diese Lösung trotzdem einen Ausgleich möchte, die Konzentration der Stoffe soll also oberhalb und unterhalb der Membran (oder rechts und links davon) gleich sein. Um dies zu erreichen, wird der Spieß einfach umgedreht, nach dem Motto: wenn der Prophet nicht zum Berg kommt…. Soll heißen: das, was durch die Membran passt, geht einfach zu den Teilen, die nicht durchpassen, um so eine einheitliche Konzentration der Lösung herzustellen. Man spricht hier auch vom osmotischen Druck, der also durch diese unterschiedliche Konzentration entsteht.
Für unsere Zwecke ist es oft so, dass die Stoffe, die nicht durchpassen, Eiweiße sind (z. B. weil sie so groß sind) und das was zu ihnen wandert Wasser. So haben wir die Entstehung von Ödemen schonmal angerissen. Außerdem spielt die Osmose auch bei der Polyurie, also dem vermehrten Wasserlassen bei Diabetikern eine Rolle. Hier liegt zu viel Zucker im Harn vor, der zieht sozusagen das Wasser an, damit die Konzentration ausgeglichen wird. Der Harn wird quasi verdünnt durch die vermehrte Ausschwemmung von Wasser. Teilweise funktionieren Diuretika (entwässernde Medikamente) auch so.
Das waren die drei Verfahren für den passiven Transport, also ohne Energieaufwand der Zelle.
Aktiver Transport
Für große Moleküle und hydrophile (also wasserlösliche) ist die Zellmembran undurchlässig, wie ja gerade schon beim Thema Eiweiße erwähnt. Deshalb ist hier ein aktiver Transport, also mit Energieaufwand nötig. Die großen Moleküle brauchen Taxis, und die bekanntlich Treibstoff 😉
Es gibt zwei verschiedene Arten von Taxis, also Membranproteine, die diese Stoffe rein- oder rausschleusen, die sogenannten Kanalproteine und die Carrierproteine. Hier müssen wir aber meines Erachtens nach nicht noch genauer hinschauen, Vielleicht nur soviel: Die Kanalproteine sitzen im Prinzip fest in der Doppellipidschicht, die Carrierproteine sind beweglich. Das sollte reichen.
Zellteilung
Das war der erste Teil, den wir heute auf dem Programm hatten, der Stofftransport.
Als Nächstes schauen wir uns noch an, wie sich die Zelle vermehrt, also teilt.
Zunächst einmal unterscheidet man die Teilung des Zellleibs und des Zellkerns. Der Zellleib wird nämlich einfach nur durchschnürt, so dass zwei neue Zellleibe entstehen. Die Organellen werden hier zufällig verteilt, denn in der Wachstumsphase werden die fehlenden jeweils nachgebaut. Schwieriger ist für mich die Teilung des Zellkerns, die sogenannte Mitose. Dazu findest du übrigens auch ein Video zur Veranschaulichung auf meinem Youtube-Kanal.
Mitose
Fangen wir mit dem einfachen an: Die eigentliche Mitose dauert ca. 1 Stunde, wenn man die Interphase, also die Vorbereitungsphase bzw. Zwischenphase nicht mitzählt. Die kann nämlich stark variieren von Stunden bis zu Monaten.
Interphase
In dieser Interphase bereitet sich die Zelle auf die Teilung vor, es werden also Proteine und Zellorganellen hergestellt, z. B. das Zentriol (Du weißt noch? Das brauchen wir für die Ausbildung des Spindelapparates.). Die Chromosomen liegen als Chromatin vor, also in ihrer Arbeitsform. Sie sind sozusagen entspiralisiert. Nun ist die Zelle entweder in ihrer finalen Form und verbleibt in dieser (als Muskelzelle, Nervenzelle usw.) oder sie geht in die Prophase über.
Prophase
In der Prophase (Vorphase) spiralisieren sich die Chromosomen zunehmend. Die Kernmembran und die Kernkörperchen lösen sich auf und der Spindelapparat wird ausgebildet. Das bedeutet, jeweils ein Zentriol wandert zu einem Pol. Zwischen ihnen kann man sich ein Gerüst aus Mikrotubuli vorstellen. Ähnlich wie das Gitternetz der Erde um einen Globus. Dieser Vergleich wird gleich nochmal wichtig.
Metaphase
Nun folgt die Metapahse (Mittelphase). Stell dir erstmal ein Chromosom vor. Das besteht in dieser Phase aus 2 Längshälften, sogenannten. Chromatiden, die mit einem - ich nenn es mal stümperisch engen Gürtel – verbunden sind. Deshalb stellt man sich das auch gerne als ein X vor. Natürlich hat der Gürtel einen Namen: Er heißt Zentromer
So, in der Metaphase ist der Spindelapparat vollständig ausgebildet. Und wie beim Globus gibt es auch hier einen Äquator. An dieser Äquatorialebene werden die Chromosomen mit ihrem Gürtel, also mit dem Zentromer, festgebunden.
Anaphase
In der Nachphase, der sogenannten Anaphase, wandert nun jeweils ein Chromatid, also eine Längshälfte eines Chromosoms, zu einem entgegengesetzten Pol.
Telophase
Wenn das passiert ist, folgt die Endphase, die sog. Telophase: Der Spindelapparat löst sich auf, er wird ja nicht mehr gebraucht. Aber wir brauchen nun wieder eine Kernmembran, die um die Chromatiden gebildet wird. Die Chromosomen entspiralisieren sich wieder, gehen also wieder in ihre Arbeitsform. Der Zellleib wird abgeschnürt und der Zellkörper teilt sich in der Äquatorialebene. Damit beginnt wieder die Interphase, in der die Zelle die direkt die Erbinformation für die nächste Mitose verdoppelt.
So sind aus einer diploiden Mutterzelle zwei diploide Tochterzellen entstanden. Diploid bedeutet, voller Chromosomensatz, also 46 Chromosomen. Das ist wichtig für die Unterscheidung zur Meiose, die wir uns jetzt noch kurz als letztes in dieser Folge ansehen.
Meiose
Die Keimzellbildung, also Meiose heißt auch noch Reifeteilung oder Reduktionsteilung. Mit dem Wort Reduktion wird uns schon eine Hilfe geliefert: Reduziert wird hier die Anzahl der Chromosomen.
Es gibt zwei Stufen, in denen die oben gelernten Phasen ähnlich stattfinden. So genau gehen wir auf die beiden Stufen nicht ein. Was aber wichtig ist: In der ersten Stufe wird hier der diploide Chromosomensatz der Mutterzelle zum haploiden reduziert. Eine reife Samenzelle oder reife Eizelle enthält also 23 Chromosomen und nicht 46. Klar, denn wenn Eizelle und Samenzelle sich vereinigen, kommen wir so wieder zum diploiden Satz von 46 Chromosomen. Außerdem wird bei der Meiose durch verschiedene Mechanismen das Erbgut durchmischt, die einzelnen Längshälften werden also nicht einfach wieder mit einer anderen Hälfte verbunden, sondern es findet ein Crossing-over oder Chiasma statt. Die verschiedenen Längshälften werden quasi durchschnitten und neu zusammengepuzzelt, oder schöner: Es kommt zu einem Austausch von väterlichen und mütterlichen Chromosomenstücken vor der ersten Reifeteilung. so dass eine genetische Vielfalt der Menschheit gewährleistet wird.
Für mich reicht das so, deshalb will ich hiermit unsere heutige Folge beenden.
Was passiert, wenn bei der ganzen Geschichte der Zellteilung etwas schief geht, schauen wir uns in der nächsten Folge an.
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