Wasser und Kohlenhydrate - Die Basis des Lebens

Stell dir vor, dein Körper wäre ein High-Tech-Labor - dann wäre Wasser das ultimative Lösungsmittel, das alles am Laufen hält. Zellen bestehen hauptsächlich aus Wasser, Proteinen, Nucleinsäuren und Kohlenhydraten. Das Besondere an Wasser sind die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülen - diese entstehen, weil Wasserstoff partiell positiv und Sauerstoff partiell negativ geladen sind.

Kohlenhydrate sind deine Energie-Lieferanten und Baumaterialien zugleich. Die kleinsten Einheiten sind Monosaccharide (Einfachzucker) wie Glucose mit der Formel C₆H₁₂O₆. Besonders wichtig: Die Stellung der OH-Gruppe am C-1-Atom entscheidet, ob du α-Glucose oder β-Glucose vor dir hast.

Merktipp: Glucose ist wie ein Sechseck aus 6 Kohlenstoff- und einem Sauerstoffatom - einfach zu zeichnen!

Wenn zwei Monosaccharide sich verbinden, entstehen Disaccharide wie Haushaltszucker (Saccharose). Bei tausenden Molekülen spricht man von Polysacchariden wie Stärke oder Cellulose.

Zucker-Vielfalt und Lipide

Du kennst Fructose aus Früchten, aber wusstest du, dass Ribose in deiner RNA steckt? Desoxyribose findest du in der DNA - ohne diese Zucker gäbe es kein Leben!

Bei Disacchariden verbinden sich zwei Einfachzucker durch eine glykosidische Bindung unter Wasserabspaltung. Lactose (Milchzucker) besteht aus Glucose und Galactose, Maltose aus zwei Glucose-Molekülen.

Polysaccharide sind die Schwergewichte: Stärke speichert Energie in Pflanzen, Glykogen in tierischen Zellen. Cellulose bildet pflanzliche Zellwände und ist unverzweigt aufgebaut.

Eselsbrücke: Amylose = unverzweigt, Amylopektin = verzweigt $beide sind Stärke-Arten$

Lipide lösen sich nur in unpolaren Lösungsmitteln wie Benzin. Fette entstehen, wenn Glycerin mit drei Fettsäuren reagiert - diese können gesättigt (nur Einfachbindungen) oder ungesättigt (mit Doppelbindungen) sein. Phospholipide wie Lecithin bauen Biomembranen auf.

Proteine - Die Alleskönner der Zelle

Proteine sind echte Multitalente! Sie katalysieren als Enzyme Reaktionen, ermöglichen Bewegung (Aktin und Myosin im Muskel), bilden Gerüstsubstanzen wie Kollagen in der Haut und transportieren Sauerstoff durch Hämoglobin.

Der Grundbaustein jedes Proteins ist die Aminosäure. Sie besitzt ein zentrales C-Atom, an das eine Aminogruppe $-NH₂$, eine Carboxygruppe $-COOH$ und ein charakteristischer organischer Rest (R) gebunden sind. Dieser Rest entscheidet über die Eigenschaften - er kann unpolar, polar, sauer oder basisch sein.

Zwei Aminosäuren verbinden sich durch eine Peptidbindung zum Dipeptid. Die Primärstruktur ist einfach die Reihenfolge der Aminosäuren - aber Achtung: Schon der Austausch einer einzigen Aminosäure kann gravierende Folgen haben!

Wichtig fürs Abi: Primärstruktur = Aminosäuresequenz, das ist die Basis für alles Weitere!

Die Vielfalt der Proteine entsteht durch verschiedene Aminosäure-Reste und deren Abfolge.

Proteinstrukturen - Vom Faden zur 3D-Form

Die Sekundärstruktur bringt Ordnung ins Spiel! Die α-Helix ist schraubig gewunden und durch Wasserstoffbrücken stabilisiert - sie sorgt für lockige Haare. Die β-Faltblatt-Struktur hingegen ist für glatte Haare verantwortlich.

Bei der Tertiärstruktur wird's richtig komplex: Hier entstehen asymmetrische, dreidimensionale Formen durch verschiedene Bindungen. Disulfidbrücken zwischen Aminosäuren mit SH-Gruppen sind besonders stark und stabilisieren die Struktur.

Die Quartärstruktur ist der Zusammenschluss mehrerer Polypeptidketten. Das beste Beispiel ist Hämoglobin mit zwei α- und zwei β-Ketten plus Hämgruppen für den Sauerstofftransport.

Merkspruch: Primär = Reihenfolge, Sekundär = Helix/Faltblatt, Tertiär = 3D-Form, Quartär = mehrere Ketten

Diese Strukturebenen bauen aufeinander auf - zerstörst du eine Ebene, funktioniert das ganze Protein nicht mehr!

DNA - Der genetische Code des Lebens

DNA ist der Träger deiner gesamten Erbinformation! Bei Eukaryoten findest du sie im Zellkern, in Mitochondrien und Chloroplasten. Prokaryoten haben ihre DNA frei im Plasma schwimmen.

Die Bausteine sind genial einfach: Phosphorsäure, Desoxyribose (Zucker) und vier Basen. Die Purinbasen Adenin (A) und Guanin (G) haben Doppelringsysteme, die Pyrimidinbasen Cytosin (C) und Thymin (T) nur Einfachringe.

Ein Nucleotid besteht aus allen drei Komponenten: Base + Zucker + Phosphorsäure. Viele Nucleotide bilden einen Polynucleotidstrang von 5' nach 3'.

Die berühmte Doppelhelix nach Watson und Crick funktioniert wie eine Strickleiter: Zucker-Phosphat-Rückgrat außen, Basen innen. Komplementäre Basenpaarung: A-T (2 Wasserstoffbrücken), C-G (3 Wasserstoffbrücken). Die Stränge laufen antiparallel!

Abi-relevant: Die Basensequenz bestimmt die genetische Information - das ist der genetische Code!

RNA unterscheidet sich durch Ribose statt Desoxyribose und Uracil (U) statt Thymin (T).

RNA-Typen und Prokaryoten

RNA hat drei wichtige Formen: mRNA $messenger-RNA$ überbringt die genetische Information vom Zellkern zu den Ribosomen. tRNA $transfer-RNA$ hat eine Kleeblatt-Struktur und transportiert Aminosäuren. rRNA (ribosomale RNA) baut Ribosomen auf und hat enzymatische Aktivität.

Prokaryoten sind die einfacheren Zellen ohne echten Zellkern. Ihre DNA liegt frei im Plasma und ist ringförmig ohne Proteine (haploid). Sie haben nur kleine Ribosomen $70S-Typ$ und eine mehrschichtige Zellwand aus Murein.

Prokaryoten besitzen oft Geißeln zur Fortbewegung und Pili zum Anheften. Photosynthese läuft über Thylakoide ab - echte Organellen fehlen aber komplett.

Unterscheidungsmerkmal: Prokaryoten = Kern frei im Plasma, Eukaryoten = Kern von Membran umschlossen

Die Membraneinstülpungen erhöhen die Oberfläche für Stoffwechselprozesse, ohne dass separate Organellen nötig wären.

Eukaryoten - Zellen mit Luxusausstattung

Eukaryoten sind wie Luxus-Apartments der Zellwelt! Der Zellkern mit seiner Kernhülle und Kernporen ist die Steuerzentrale. Hier liegt das Chromatin $DNA + Proteine$ diploid vor.

Die Kompartimentierung ist das Geheimnis des Erfolgs: Getrennte Reaktionsräume durch Membranen ermöglichen spezialisierte Funktionen. Mitochondrien produzieren ATP, größere Ribosomen $80S-Typ$ synthetisieren Proteine effizienter.

Pflanzenzellen haben zusätzlich Chloroplasten für Photosynthese, Vakuolen als Speicher und eine Cellulose-Zellwand. Das Endoplasmatische Retikulum durchzieht die ganze Zelle wie ein Transportsystem.

Merkhilfe: Eukaryoten = echte Kerne, viele Organellen, komplexer Aufbau

Mikrotubuli bilden das Zytoskelett und halten alles in Form. Diese zelluläre Organisation ermöglicht viel komplexere Lebensprozesse als bei Prokaryoten.

ER und Ribosomen - Die Protein-Fabrik

Das Endoplasmatische Retikulum ist dein zelluläres Transportsystem! Es besteht aus Zisternen (Hohlräumen) und unterteilt sich in glattes ER (ohne Ribosomen) und raues ER (mit Ribosomen besetzt).

Ribosomen sind deine Protein-Fabriken! Bei Eukaryoten bestehen sie aus einer großen und kleinen Untereinheit (jeweils aus Proteinen und RNA). Mehrere Ribosomen können als Polysomen hintereinander an einer mRNA arbeiten - das ist Effizienz pur!

Das raue ER mit seinen Ribosomen produziert hauptsächlich Proteine für den Export oder Membranen. Das glatte ER kümmert sich um Lipid-Synthese und Entgiftung.

Eselsbrücke: Rau = Ribosomen = Proteinproduktion, Glatt = ohne Ribosomen = Lipidsynthese

Der Membranzwischenraum zwischen Kern- und ER-Membran ist direkt verbunden - ein geniales Transportsystem für frisch synthetisierte Moleküle!

Mitochondrien und Chloroplasten - Die Energiezentralen

Mitochondrien sind die Kraftwerke deiner Zellen! In der Matrix (Innenraum) läuft die Zellatmung ab und ATP wird produziert. Die Cristae (Falten der inneren Membran) vergrößern die Oberfläche für maximale Energieausbeute.

Chloroplasten sind die Solar-Panels der Pflanzenwelt! Im Stroma (Matrix) und in den Thylakoiden läuft Photosynthese ab. Granum nennt man gestapelte Thylakoide - hier wird Lichtenergie eingefangen.

Beide Organellen haben eine Doppelmembran, eigene DNA und eigene Ribosomen. Das ist kein Zufall, sondern ein Hinweis auf ihre evolutionäre Herkunft!

Abi-Tipp: Mitochondrien = Zellatmung/ATP-Produktion, Chloroplasten = Photosynthese

In Chloroplasten findest du auch Stärke als Speicherstoff und Lipidtröpfchen. Der Thylakoidinnenraum ist vom Stroma getrennt - wichtig für die Photosynthese-Reaktionen!

Golgi-Apparat und Endosymbiontentheorie

Der Golgi-Apparat ist wie die Post deiner Zelle! Dictyosomen (einzelne Stapel) nehmen Proteine und Lipide vom ER entgegen, verpacken sie und versenden sie in Vesikeln. Die Empfangsseite liegt zum ER, die Versandseite zur Zellmembran.

Hier werden auch Zellmembran und Zellwand gebildet - ohne Golgi-Apparat würde deine Zelle buchstäblich auseinanderfallen!

Die Endosymbiontentheorie erklärt, wie komplexe Zellen entstanden: Ursprünglich waren Mitochondrien und Chloroplasten frei lebende Bakterien. Eine Ur-Eukaryotenzelle nahm sie durch Endocytose auf, und sie entwickelten eine für beide Seiten vorteilhafte Endosymbiose.

Beweise: Doppelmembran, eigene ringförmige DNA, bakterienähnliche Ribosomen, unabhängige Teilung

Biomembranen schaffen Kompartimente - voneinander abgetrennte Reaktionsräume. So kann deine Zelle verschiedene Stoffwechselwege gleichzeitig und effizient ablaufen lassen, ohne dass sie sich gegenseitig stören.