Zellfunktion: Einführung in die Zelle

Zellfunktion: Einführung

• Die Vorlesung zum Thema "So funktioniert eine Zelle" findet am 17.9.2024 statt.
• Eine Vorbereitung ist die Lektüre von Kapitel 2 im Buch von Huch und der Vergleich der Zelle mit einer Fabrik.
• Die Zelle wird als kleinste Organisationseinheit betrachtet.

Lernziele

• Studierende sollen zwischen Eu- und Prokaryoten unterscheiden können und die jeweiligen Unterscheidungskriterien benennen.
• Die einzelnen Organellen einer Zelle sollen aufgezählt und ihre Aufgaben beschrieben werden.
• Der Stoffaustausch einer Zelle soll in den Grundzügen verstanden werden.
• Studierende sollen erklären können, wie Zellen grob Eiweiße produzieren.
• Es soll dargestellt werden, wie Zellen sich vermehren, sich selbst "entrümpeln" und wie sie zugrunde gehen können.

Die Zelle als Fabrik

• Die Zelle ist vergleichbar mit einer Fabrik, in der verschiedene Prozesse ablaufen.
• Dazu gehören die Produktion von Proteinen und der Transport von Stoffen (A nach B).
• Zellen können sich vermehren und sterben.

Prokaryoten und Eukaryoten

• Prokaryoten sind Vorläuferzellen ohne echten Zellkern; "Pro" bedeutet "zuerst" oder "vor".
• Das Wort "Karyon" bedeutet Kern.
• Bei Prokaryoten liegen die Gene frei in der Zelle vor.
• Prokaryoten sind meistens Einzeller wie Bakterien.
• Eukaryoten haben einen echten Zellkern ("Eu" bedeutet "mit").
• Die Gene von Eukaryoten sind im Zellkern, welcher von einer Membran umhüllt ist, "versorgt".
• Alle Tier- und Pflanzenzellen sind Eukaryoten.
• Eukaryotische Zellen können unterschiedlich aussehen, je nachdem welche Aufgabe sie erfüllen.

Organellen und ihre Funktionen

• Die Zellmembran entspricht der äußeren Fabrikmauer.
• Der Zellkern (Nukleus) ist die Computerzentrale der Zelle.
• Die Mitochondrien sind die Kraftwerke.
• Das endoplasmatische Retikulum (ER) entspricht der Produktions- und Lagerhalle, wobei es sowohl raues als auch glattes ER gibt.
• Ribosomen sind die Produktionsroboter.
• Der Golgi-Apparat ist die Verpackungs- und Versandstation.
• Lysosomen übernehmen die Müllabfuhr und Wiederverwertung.

Zellmembran

• Die Zellmembran schützt den Inhalt der Zelle.
• Sie enthält Zytoplasma (Zytosol), die Flüssigkeit in der Zelle, hauptsächlich Wasser.
• Die Zellmembran ermöglicht den Kontakt und die Kommunikation zu anderen Zellen durch die Glykokalix.
• Ein wichtiger Job ist der Stoffaustausch mit der Umgebung und vielfältige Transportmechanismen.

Lipid-Doppelschicht

• Die Zellmembran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht mit hydrophilem (lipophob) Kopf und hydrophobem (lipophil) Schwanz.
• Der hydrophile Teil mag Wasser und meidet Fett, während der hydrophobe Teil Wasser meidet und Fett mag.

Eigenschaften der Zellmembran

• Die Zellmembran ist semipermeabel, das heißt, sie ist teilweise durchlässig und die Durchlässigkeit hängt von verschiedenen Faktoren ab:
• Molekülgröße: Wasser, O2 und CO2 können problemlos durch die Membran diffundieren.
• Fettlöslichkeit: Je fettlöslicher (lipophiler) ein Stoff ist, desto besser kann er die Membran passieren.
• Elektrische Ladung: Geladene Teilchen (Ionen) können die Membran normalerweise nicht frei durchqueren; sie benötigen spezielle Kanäle oder Pumpen.
• Hydrophile und geladene Teilchen benötigen Membran-Transportproteine für den Transport.
• Carrier-Proteine (Transporter) ermöglichen Uniport, Cotransport oder Symport/Antiport.
• Kanalproteine (Poren), z.B. Ionenkanäle, sind ebenfalls am Transport beteiligt.

Zellkern (Nukleus)

• Der Zellkern ist die Kommandozentrale.
• Er enthält die Erbsubstanz (DNA, Chromosomen), die den Kern niemals verlässt; er beinhaltet die Betriebsanleitung und den Bauplan der Zelle.
• In den Nukleoli (Kernkörperchen) werden rRNA und Ribosomen gebildet.
• Der Zellkern enthält alle Informationen, die für den Betrieb und die Produktion in der Zelle notwendig sind.

Mitochondrien

• Mitochondrien produzieren Energie in Form von H+, e- und ATP.
• Sie besitzen eigene DNA und können Proteine produzieren.
• Mitochondrien haben eine innere und eine äußere Membran.
• Im Matrixraum befinden sich Enzyme für die Verbrennung von Zucker (Zitratzyklus) und Fett (Beta-Oxidation).
• Ihre Anzahl spiegelt den Energiebedarf der Zelle wider.

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

• Das ER ist ein verzweigtes Hohlraumsystem.
• Das raue ER (rER) ist mit Ribosomen besetzt.
• Das glatte ER (gER) besitzt keine Ribosomen.
• Proteine werden im rER hergestellt.
• Das gER ist wichtig für die Lipidsynthese und -verteilung und dient in Muskelzellen als Kalziumspeicher.

Ribosomen

• Ribosomen produzieren Proteine.
• Sie bestehen aus Proteinen und ribosomaler RNA (rRNA).
• Proteine können Hormone, Enzyme oder Strukturproteine (z.B. Muskeln, Bindegewebe) sein.

Golgi-Apparat

• Der Golgi-Apparat besteht aus Membransäckchen.
• Er schnürt Bläschen ab, die sogenannten Golgi-Vesikel.
• Stoffe, die vom ER kommen, werden in Bläschen "verpackt" und aus der Zelle geschleust.
• Der Golgi-Apparat ist besonders ausgeprägt in Zellen, die Hormone oder Enzyme produzieren.
• Er ist auch an der Bildung von Lysosomen beteiligt.

Lysosomen

• Lysosomen enthalten Verdauungsenzyme, die zellschädigende Stoffe neutralisieren können.
• Sie verdauen auch "tote" Zellorganellen, wie z.B. Mitochondrien.
• Bestandteile der verdauten Organellen werden rezykliert.
• Manche Zellen (z.B. Fresszellen) zerstören in ihren Lysosomen körperfremde Substanzen/Zellen, die ein Risiko darstellen könnten.

Transport von Stoffen

• Der Transport von Stoffen benötigt Wasser.
• Flüssigkeit kommt vor:
• Intrazellulär (in der Zelle),
• Intravasal (in den Blutgefäßen, "vasa"=Gefäß),
• Interstitiell (zwischen den Zellen) und
• Transzellulär (Hirnflüssigkeit, Kammerwasser im Auge, Flüssigkeit in Gelenken).

Stoff-Transport

• Folgende Stoffe müssen transportiert werden:
• Nährstoffe (Zucker, Fett, Eiweiß).
• Energiespeicher (ATP, ADP + P).
• Baustoffe (Eiweiße).
• Stoffe mit Funktion (Hormone, Enzyme).
• Gase (O2, CO2).
• Elektrolyte (Ionen: Kalium, Natrium).
• Abfallstoffe (Harnstoff).

Stofftransporttypen

• Es gibt passive Transportmechanismen (verbrauchen keine Energie):
• Diffusion (entlang eines Konzentrationsgefälles).
• Osmose (durch semipermeable Membranen).
• Filtration (durch Membranen, mit Druck).
• Aktiver Transport verbraucht Energie: gegen ein Konzentrationsgefälle (Gradient), z.B. Natrium-Kalium-Pumpe.
• Endo- und Exozytose sind weitere Transportmechanismen.

Transkription

• "Skribere" bedeutet abschreiben; die DNA, die sich im Zellkern befindet, wird abgeschrieben.
• Dabei entsteht RNA (Ribonukleinsäure).
• Die RNA verlässt in Form von messenger-RNA (mRNA) den Zellkern und wandert zu den Ribosomen.
• Dort beginnt die "Übersetzung" in Proteine.

Translation

• "Translatio" bedeutet Übersetzung: Informationen der mRNA werden in Proteine übersetzt.
• Dazu wird Transfer-RNA (tRNA) benötigt.
• Die tRNA übersetzt eine Sequenz von jeweils 3 Basen (Triplett) in eine entsprechende Aminosäure.
• Die Kette aus Aminosäuren bildet das fertige Protein.

Zellteilung

• Mitose: Zelle teilt sich, es entstehen 2 identische Zellen.
• Vorher wird die DNA verdoppelt (repliziert).
• Die Zahl der Chromosomen bleibt gleich (doppelter Satz: 2 x 23 Chromosomen).
• Zellteilung ist eine Phase im Zellzyklus.
• Meiose (Reduktionsteilung) dient der sexuellen Fortpflanzung.
• Dabei wird der Chromosomensatz halbiert (von 2 x 23 auf 1 x 23).
• Aus einer Keimzelle entstehen 4 Spermien bzw. 1 Eizelle (mit 3 Polkörperchen).

Autophagie

• Auto=selbst, phagie=fressen: Die Zelle rezykliert den Müll, der sich in ihr angesammelt hat.
• Fasten verstärkt die Autophagie, wobei schon wenige Stunden ausreichen.
• Durch die Müllbeseitigung wird die Zelle fitter.
• Intermittierendes Fasten ist deshalb vermutlich gesund.

Apoptose

• Apoptose ist kein einfaches Verenden, sondern ein programmierter Zelltod.
• Dieses "Selbstmordprogramm" wird von der Zelle selbst oder hormonell ausgelöst.
• Dabei schrumpft und zerfällt der Zellkern.
• Apoptose wird nicht durch äußere Schädigung ausgelöst, im Gegensatz zur Nekrose (provozierter Zelltod).
• Bei der Apoptose werden Enzyme aktiviert, welche den Zellkern zerteilen, Makrophagen (Fresszellen) werden angelockt, Fragmente der Zelle werden erkannt und phagozytiert.