Fast alle Zellen haben eine Zellmembran, Zellplasma, Ribosomen (winzige Körnchen, an denen Eiweiße gebaut werden) und Erbinformation in Form von DNA. Trotzdem gibt es zwei Bauarten.

Bei den Prokaryoten (griechisch: vor dem Kern) liegt die DNA ohne Hülle im Zellplasma, meist als Ring. Zu dieser Gruppe gehören die Bakterien. Viele haben zusätzlich kleine DNA-Ringe, die Plasmide. Ihre Zellwand besteht aus Murein, einem Stoff aus Zucker- und Eiweißbausteinen. Manche Antibiotika, etwa Penicillin, stören den Aufbau dieser Wand. Tierische Zellen haben keine Zellwand und bleiben unberührt.

Bei den Eukaryoten (echter Kern) liegt die DNA in einem Zellkern, den eine Kernhülle umgibt. Dazu kommen Zellorganellen: Zellbestandteile mit eigener Aufgabe, die eine Membran vom Zellplasma abgrenzt, zum Beispiel Mitochondrien. Pflanzen, Tiere, Pilze und viele Einzeller sind Eukaryoten.

Zellgrößen misst man in Mikrometern: 1 µm ist ein Tausendstel Millimeter.

Das Lichtmikroskop zeigt Einzelheiten bis etwa 0,2 µm. Du erkennst Zellkern, Zellwand, Vakuole und Chloroplasten, Mitochondrien nur als winzige Körnchen. Ein Elektronenmikroskop durchstrahlt das Präparat mit Elektronen statt mit Licht. Es zeigt viel kleinere Strukturen, aber nur tote Präparate in Graustufen.

Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Ihre Bausteine sind Zuckermoleküle.

• Einfachzucker (Monosaccharide): Glucose (Traubenzucker, $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$) und Fructose (Fruchtzucker).
• Zweifachzucker: Saccharose (Haushaltszucker) aus Glucose und Fructose.
• Vielfachzucker (Polysaccharide): Stärke, Glykogen und Cellulose. Alle drei bestehen aus sehr vielen Glucosebausteinen, die verschieden verknüpft sind.

Glucose liefert Energie. Stärke ist der Speicher der Pflanzen, Glykogen der Speicher in Leber und Muskeln. Cellulose baut die pflanzliche Zellwand auf. Der Mensch kann Stärke verdauen, Cellulose nicht.

Lipide sind fettähnliche Stoffe. Sie lösen sich nicht in Wasser, aber in Öl. Ein Fett besteht aus einem Glycerinmolekül mit drei daran gebundenen Fettsäuren. Fette speichern Energie (etwa doppelt so viel je Gramm wie Kohlenhydrate), isolieren gegen Kälte und polstern Organe.

Ein Phospholipid hat nur zwei Fettsäuren. An der dritten Stelle sitzt ein Phosphatrest. Er bildet einen wasserliebenden (hydrophilen) Kopf, die zwei Fettsäuren bilden wasserabweisende (hydrophobe) Schwänze. Phospholipide bauen die Biomembranen auf.

Proteine (Eiweiße) bestehen aus Aminosäuren. In Proteinen kommen meist 20 verschiedene Aminosäuren vor. Jede hat eine Aminogruppe, eine Carboxygruppe und einen Rest, der für sie typisch ist. Zwei Aminosäuren verbindet die Peptidbindung: Die Carboxygruppe der einen reagiert mit der Aminogruppe der anderen, dabei wird ein Wassermolekül abgespalten:

$\text{Aminosäure}_1 + \text{Aminosäure}_2 \longrightarrow \text{Dipeptid} + \text{H}_2\text{O}$

Viele Aminosäuren ergeben eine Kette (Polypeptid). Die Reihenfolge der Aminosäuren bestimmt, wie sich die Kette faltet, und die Raumstruktur bestimmt die Aufgabe: Enzyme beschleunigen Reaktionen, Hämoglobin transportiert Sauerstoff, Antikörper wehren Erreger ab, Kanal- und Transportproteine sitzen in Membranen.

Bei der Denaturierung geht die Raumstruktur verloren. Auslöser sind Hitze (bei vielen Proteinen ab etwa 50 bis 60 °C), starke Säuren und Laugen, Alkohol und Schwermetalle. Die Peptidbindungen bleiben heil, nur die Faltung ändert sich. Meist lässt sich das nicht rückgängig machen. Darum wird Eiklar beim Braten fest, und ein Enzym wirkt nach dem Kochen nicht mehr.

Jede Zelle ist von einer Zellmembran umgeben. Auch die Organellen der Eukaryoten haben Membranen. Alle diese Biomembranen sind ähnlich gebaut. Phospholipide lagern sich im Wasser zu einer Doppelschicht zusammen: Die hydrophilen Köpfe zeigen nach außen zum Wasser, die hydrophoben Schwänze nach innen. In diese Schicht sind Proteine eingelagert, zum Beispiel Kanäle und Transporter.

Biomembranen sind teildurchlässig: Kleine, ungeladene Moleküle wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid kommen leicht hindurch. Geladene Teilchen und große Moleküle brauchen ein Transportprotein.

Bei der Diffusion wandern Teilchen von selbst vom Ort mit hoher Konzentration zum Ort mit niedriger, bis sie gleichmäßig verteilt sind. Der Unterschied der Konzentration heißt Konzentrationsgefälle. Die Zelle braucht dafür keine Energie.

Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine teildurchlässige Membran, die gelöste Teilchen nicht durchlässt. Das Wasser wandert dorthin, wo mehr Teilchen gelöst sind, und verdünnt dort.

Eine Pflanzenzelle in reinem Wasser nimmt Wasser auf. Die Zellwand verhindert das Platzen, die Zelle wird prall (Turgor). In starker Salzlösung gibt sie Wasser ab, und die Zellmembran löst sich von der Zellwand (Plasmolyse). Tierische Zellen haben keine Zellwand: Rote Blutkörperchen platzen in reinem Wasser und schrumpfen in zu salziger Lösung. Darum nutzt man bei Infusionen eine Kochsalzlösung mit etwa 0,9 Prozent Salz.

Beim passiven Transport wandert ein Stoff mit dem Konzentrationsgefälle durch die Membran, ohne dass die Zelle Energie einsetzt. Das ist Diffusion: entweder direkt durch die Lipidschicht (Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid) oder durch Kanal- und Trägerproteine (Ionen, Glucose).

Beim aktiven Transport pumpen Transportproteine einen Stoff gegen das Konzentrationsgefälle. Dafür braucht die Zelle Energie in Form von ATP, dem Energieträger der Zelle, der bei der Zellatmung entsteht. Beispiel: Wurzelhaarzellen nehmen Mineralstoffe auf, auch wenn im Zellsaft schon mehr davon ist als im Boden.