Bio-PHZH | Themenkreis 1: Kennzeichen des Lebens

Eine Mutation (lat. mutare „ändern“) ist eine dauerhafte Veränderung des Erbgutes.[1] Sie betrifft zunächst nur das Erbgut einer Zelle, wird aber von dieser an alle eventuell entstehenden Tochterzellen weitergegeben.[2] Bei mehrzelligen Lebewesen kann man unterscheiden zwischen Keimbahn-Mutationen, die an die Nachkommen weitergegeben werden können, und somatischen Mutationen, die in anderen Geweben stattfinden und daher nicht an die Nachkommen weitergegeben werden. Ein Organismus mit einer Mutation wird als Mutant oder Mutante bezeichnet.

Lebewesen wachsen und entwickeln sich aktiv und planmässig. Ihr Leben beginnt meist mit einer Zelle, die bei der Fortpflanzung gebildet wird. Wachstum und Entwicklung sind durch das Erbgut gelenkt und werden von der Umwelt beeinflusst.

Lebewesen unterscheiden sich von unbelebten Systemen durch:

• Stoffwechsel

• Reaktionsvermögen

• Wachstum und Entwicklung

• Fortpflanzung

• Aufbau aus Zellen

• (Fort-)Bewegung

• Exkretion

• Vererbung und Mutabilität

• Vielfalt

• Regulation

• Umweltabhängigkeit

Der grösste Teil der Stoffe, die in Lebewesen vorkommen, sind organische Stoffe. Organisch nannte man sie ursprünglich, weil man glaubte, sie können nur in Lebewesen gebildet werden. Heute weiss man, dass sie auch künstlich hergestellt werden können. In der Natur werden sie aber unter den heutigen Bedingungen praktisch nur von Lebewesen aus anorganischen gebildet. 99 % aller Verbindungen sind organisch.

Organische Verbindungen sind ausnahmslos Kohlenstoffverbindungen. Sie sind brennbar oder zersetzen sich beim Erwärmen.

Anorganisch nannte man ursprünglich die Verbindungen der unbelebten Natur. Es sind (mit wenigen Ausnahmen) Verbindungen ohne Kohlenstoff. Zu den Ausnahmen gehören Kohlendioxid und Kohlenmonooxid sowie die Kohlensäure und ihre Salze.

Kohlenhydrate dienen den Lebewesen als Bau-, Betriebs- und Reservestoffe und zur Herstellung anderer Verbindungen. Ihr Abbau liefert die für das Leben nötige Energie.

Kohlenhydrate sind organische Verbindungen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff (C-, H- und 0). Sie dienen den Lebewesen als Bau-, Betriebs- und Reservestoffe und zur Herstellung anderer Verbindungen. Man unterscheidet Einfach-, Doppel- und Vielfachzucker.

Der Traubenzucker (Glucose, C6-H12-O6) ist der Einfachzucker, der im Zentrum des Stoffwechsels aller Lebewesen steht. Er dient als Ausgangsstoff zur Herstellung anderer organischer Stoffe. Seine Dissimilation liefert den Lebewesen die nötige Energie.

Die autotrophen Pflanzen stellen den Traubenzucker durch Fotosynthese mit Hilfe von Sonnenenergie aus Kohlendioxid und Wasser her. Die heterotrophen Lebewesen nehmen ihn mit der Nahrung auf oder stellen ihn aus anderen organischen Nahrungsbestandteilen her.

Der Fruchtzucker ist ein Einfachzucker, der in Früchten vorkommt und noch süsser schmeckt als Traubenzucker. Er hat dieselbe Formel wie Traubenzucker (C6-H12-O6), denn seine Moleküle bestehen aus den gleichen Atomen. Diese sind aber anders angeordnet.

Der zum Süssen von Speisen üblicherweise verwendete Rohrzucker ist ein Doppelzucker, dessen Moleküle aus je einem Molekül Traubenzucker und Fruchtzucker bestehen.

Die Einfachzucker sind die einfachsten Kohlenhydrate. Ihre Moleküle sind die kleinsten Bausteine der Vielfachzucker, z. B. Traubenzucker.

Doppelzucker sind Kohlenhydrate, deren Moleküle aus zwei Einfachzuckern bestehen, z. B. Rohrzucker aus Traubenzucker und Fruchtzucker.

Die Makromoleküle der Vielfachzucker Stärke und Cellulose entstehen durch die Verknüpfung von vielen Glucose-Molekülen. Sie unterscheiden sich in der Art der Bindung, in der Verzweigung der Ketten und in der Zahl der Bausteine.

Cellulose ist ein Vielfachzucker, den Pflanzen als Baumaterial für die Zellwände verwenden. Ihre Makromoleküle sind unverzweigte Ketten aus bis zu 10000 Glucose-Molekülen. Cellulose ist für uns und viele Tiere nicht verdaubar.

Stärke ist ein Vielfachzucker, der als Reservestoff dient. Ihre Moleküle sind z. T. verzweigt und bestehen aus bis zu 100000 Glucose-Molekülen.

Glykogen ist ein Vielfachzucker, der tierischen Zellen als Reservestoff dient. Seine Makromoleküle bestehen wie die der pflanzlichen Stärke aus Traubenzucker-Molekülen. Die Ketten sind aber noch stärker verzweigt.

Aminosäuren sind die Bausteine der Eiweisse. In den natürlichen Eiweissen kommen 20 verschiedene Sorten vor. Die Aminosäuren-Moleküle enthalten neben C-, H- und O- auch N-Atome. Sie bestehen aus einem Standardteil mit zwei Bindungsstellen, über die sie mit zwei weiteren Aminosäuren verknüpft werden können, und einem Rest, der je nach Aminosäure verschieden ist.

Proteine sind Eiweisse aus über 100 Aminosäuren.

Eiweisse (Proteine und Peptide) üben im Organismus unzählige Funktionen aus: Sie sind Baustoffe des Plasmas, wirken als Enzyme, transportieren Teilchen, stützen die Zelle, ermöglichen Bewegungen und sind an der Abwehr beteiligt.

In den Lebewesen wird jede Reaktion durch ein spezifisches Enzym katalysiert. Das Enzym vermindert die aufzuwendende Aktivierungsenergie einer bestimmten Reaktion eines Substrats so stark, dass diese bei Körpertemperatur abläuft.

Lipide sind lipophile, wasserunlösliche Stoffe. Die bekanntesten Vertreter sind die Fette.

Fette dienen den Lebewesen als Speicher- und Isolationsmaterial. Ihr Energieinhalt ist mehr als doppelt so hoch wie der Energieinhalt der Kohlenhydrate. Lipide sind wichtige Bestandteile der Biomembran.

Ein Fett-Molekül besteht aus einem Glycerin- und drei Fettsäure-Molekülen.

Nucleinsäuren spielen in den Zellen als Informationsspeicher (DNA) und Informationsüberträger (RNA) eine zentrale Rolle.

Die Makromoleküle der Nucleinsäuren sind unverzweigte Ketten mit vier verschiedenen Nucleotidsorten als Bausteinen.

Die DNA (Desoxyribonucleinsäure) findet man hauptsächlich im Kern. Die Reihenfolge der Nucleotide (A, C, G und T) enthält die vererbbare Information für den Bau, die Entwicklung und den Betrieb, das sog. Erbgut.

Die DNA enthält die Information für den Aufbau aller Eiweisse. Die Reihenfolge der Nucleotide in einem Gen bestimmt die Reihenfolge, in der die Aminosäuren zum entsprechenden Eiweiss-Molekül verknüpft werden.

Mehrere Arten von RNA (RNS, Ribonucleinsäure) dienen als Informationsüberträger.

Hormone sind Botenstoffe, die von Vielzellern in speziellen Zellen oder Organen produziert und dann im Körper verteilt werden. Sie lagern sich an passende Rezeptoren bestimmter Zellen an und bewirken dadurch eine Änderung in der Zelle.

Assimilation ist der Aufbau körpereigener, organischer Stoffe (assimilare, lat.: angleichen). Am wichtigsten sind: die Kohlenstoff-Assimilation und die Stickstoff-Assimilation. Autotrophe Assimilationen gehen von anorganischen Stoffen aus und brauchen Energie. Bei heterotrophen Assimilationen werden körperfremde organische Stoffe assimiliert.

Die Dissimilation (dissimilis, lat.: unähnlich) ist der Teil des Zellstoffwechsels, bei dem die Energie aus organischen Betriebsstoffen wie Traubenzucker freigesetzt und zum Aufbau von ATP aus ADP+ P genutzt wird. Sie kann aerob (Zellatmung) oder anaerob (Gärungen) sein (Assimilation).

Jede chemische Reaktion lässt sich durch eine Reaktionsgleichung beschreiben. Dabei verwendet man für die beteiligten Stoffe die Formeln oder die Namen. Die Edukte stehen links, die Produkte rechts vom Reaktionspfeil der bedeutet «reagieren zu».

Adenosintriphosphat ist eine energiereiche Verbindung, die v. a. bei der Dissimilation aus ADP+ P aufgebaut wird. ATP liefert als rasch verfügbarer Energieträger Energie für energieverbrauchende Vorgänge und wird dabei in ADP+ P gespalten.

Adenosindiphosphat entsteht bei der energieliefernden Spaltung von ATP zu ADP+ P. Aus ADP+ P wird unter Energieaufwand wieder ATP hergestellt.

Als autotroph bezeichnet man Zellen und Lebewesen, die ihre organischen Stoffe aus anorganischen selbst aufbauen (autos, gr.: selbst, trophe, gr.: Nahrung) können. Die dafür nötige Energie beziehen sie meist aus dem Licht (Fotosynthese).

Heterotrophe Zellen bzw. Lebewesen sind «fremdernährt» (hetero, gr.: fremd, trophe, gr.: Nahrung), d. h., sie müssen organische Stoffe aufnehmen.

Die Fotosynthese ist die bei den autotrophen Pflanzen übliche Form der Kohlenstoff-Assimilation. Die Chloroplasten stellen aus Kohlendioxid und Wasser Traubenzucker und Sauerstoff her. Die nötige Energie wird mit Hilfe des Chlorophylls dem Licht entnommen.

Die Zellatmung ist eine Dissimilation, bei der Traubenzucker mit Sauerstoff vollständig zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut wird. Sie setzt die ganze Energie frei, die bei der Fotosynthese im Traubenzucker gespeichert wurde (38 Moleküle ATP aus einem Molekül Traubenzucker). Der Abbau verläuft über viele Reaktionsschritte. Er beginnt mit der Glykolyse im Plasma und verläuft dann in den Mitochondrien.

Diffusion (diffundere, lat.: ausbreiten) ist die Durchmischung von Stoffen durch die ungerichtete Eigenbewegung ihrer Teilchen. Jeder Stoff diffundiert – unabhängig von anderen Stoffen – seinem Konzentrationsgefälle folgend.

Die Diffusionsgeschwindigkeit eines Stoffes ist umso höher, je grösser sein Konzentrationsgefälle und je höher die Temperatur ist.

Die erleichterte Diffusion ist eine selektive und regelbare Diffusion bestimmter Ionen und hydrophiler Moleküle durch Eiweisstunnel oder Carrier der Membran.

Gasaustausch ist ein Vorgang der Physik, bei dem sich Gase zwischen zwei (manchmal durch eine permeable Membran, manchmal durch Öffnungen oder Poren getrennte) Kompartimenten räumlich neu verteilen. Gasaustausch findet im Rahmen der Atmung als Transport von Atemgasen zwischen dem umgebenden Außenmedium (Luft, Wasser) und den verstoffwechselnden Zielzellen statt. Der Gasaustausch kann durch Muskelarbeit aktiv unterstützt werden. In der Klimatechnik wird Gasaustausch primär über Ventilatoren erzielt, aber auch die Abwärme kann in geeigneter Weise für den Gasaustausch genutzt werden.