Zytologie und Zellstruktur

Einführung Histologie - Zellzytologie

• Histologie ist die Lehre vom Aufbau von Gewebe und darauf aufbauend von Organen im menschlichen Körper.
• Zellzytologie beschäftigt sich mit dem Aufbau und den Funktionen von Zellen.

Überblick

• Zellen besitzen Zellorganellen mit spezifischen Funktionen, die für den Zellstoffwechsel und die Zellfunktion entscheidend sind.
• Beispiele von Zellorganellen sind: Exozytose, Mikrovilli, Kinozilium, Sekretvesikel, Golgi-Apparat, terminales Netzwerk, Desmosom, Lysosom, glattes endoplasmatisches Retikulum, Zelleinschlüsse, Ribosomen, Kernpore, Mitochondrien, Zellkern, Endozytose, Zellmembran, Nukleolus und Zytoskelett.

Allgemein

• Zellorganellen
• Zytoskelett
• Oberflächendifferenzierungen

Zwischengliederung

• Zellorganellen
• Plasmamembran
• Zytoskelett
• Zellkontakte
• Oberflächendifferenzierungen

Zellorganellen - Zellkern

• Funktionen: Speicherung der DNA, Replikation und Transkription der DNA.
• Aufbau: Von einer doppelten Membran umgeben, mit Verbindung zum endoplasmatischen Retikulum (ER). Äußere Membran verbunden mit dem ER, Kernlamina aus Intermediärfilamenten. Kernporen für den Transport von Substanzen.
• Kernporen: Komplexe Strukturen, die den Transport von Substanzen in und aus dem Zellkern kontrollieren, z.B. Import und Export von Proteinen.

Zellorganellen - Zellkern Aufbau

• DNA: Vorhanden in Form von Chromosomen, die aus Chromatin bestehen (DNA um Histone).
• Euchromatin: Entspiralisierte DNA, aktiv bei der Transkription.
• Heterochromatin: Stark spiralisierte DNA, inaktiv bei der Transkription.
• Nucleolus: Enthalten rRNA-Gene, Synthese von ribosomaler RNA (rRNA).
• Verpackung der DNA: DNA spiralisiert um Histone zu Nucleosomen, gefolgt von 30-nm-Fasern und Schleifen. Kompakte Verpackung, um in den Zellkern zu passen.
• Metaphasechromosomen: Maximale Kondensation der Chromosomen während der Mitose, sichtbar im Lichtmikroskop. Kinetochore sind Proteinstrukturen an den Zentromeren.
• Interphasechromosomen: Heterochromatin ist stark, Euchromatin ist entspiralisiert und aktiv bei der Transkription.

Zellorganellen - raues endoplasmatisches Retikulum

• Aufbau und Funktion: Lamellenförmig, mit Ribosomen besetzt. Synthese und Modifikation von Proteinen für den Export. Translation von Proteinen an Ribosomen, Bindung durch Signalpeptide, Proteinproduktion und Export in sekretorischen Zellen (Modifikation).
• Nissl-Schollen: Raues ER in Nervenzellen. Viele Ribosomen. Gut sichtbar im Lichtmikroskop.

Zellorganellen – glattes endoplasmatisches Retikulum

• Aufbau und Funktion: Tubulär, ohne Ribosomen. Synthese von Lipiden, Entgiftung von Fremdstoffen, Steroidhormon- und Cholesterinsynthese.
• Bedeutung: Entgiftung und Stoffwechselvorgänge in Leber- und Nierenzellen.

Zellorganellen – Sarkoplasmatisches Retikulum

• Aufbau und Funktion: Glattes ER in Muskelzellen. Regulation der Muskelkontraktion durch Freisetzung und Speicherung von Ca²⁺-Ionen. Wichtiger Bestandteil für die Kontraktionsfähigkeit.

Zellorganellen – Ribosomen

• Funktion: Proteinfabriken der Zelle, übersetzen mRNA in Proteine.
• Struktur: Bestehen aus großen und kleinen Untereinheiten aus rRNA und Proteinen.
• Vorkommen: Frei im Zytoplasma oder an rauen ER gebunden.
• Biosynthese: Neubildung durch spontane Synthese von Ribosomenproteinen, Zusammenbau im Zellkern, Transport und Zusammenbau im Zytoplasma.

Zellorganellen – Golgi-Apparat

• Funktion: Sortierung und Modifikation von Proteinen und Lipiden.
• Transportwege: Fusion von ER-Vesikeln mit cis-Golgi-Netzwerk. Weitertransport der Proteine zur trans-Seite, Vesikelbildung, Export von Proteinen zur Zellmembran (Exozytose), Bildung primärer Lysosomen, Membranprotein-Regeneration. Modifikationen wie Glykosylierung, Sulfatierung, Acylierung, Phosphorylierung, Proteolyse.

Zellorganellen – Lysosomen

• Herkunft und Synthese: Entstehen aus dem endoplasmatischen Retikulum (ER), wo Proteine synthetisiert werden. Modifiziert im Golgi-Apparat mit Mannose-6-phosphat-Rest.
• Transport: Verpackung in Vesikel (primäre Lysosomen), Fusion mit anderen Vesikeln (Endosomen) zu sekundären Lysosomen.
• Funktion: Abbau von Makromolekülen und intrazellulären Molekülen.
• Enzyme: Saure Hydrolasen wie Proteasen, Lipasen, Nucleasen.
• Verdauungsfunktionen: Autophagie, Heterophagie.

Zellorganellen – Peroxisomen

• Struktur und Funktion: Kleine Vesikel mit einfacher Membran. Häufig in Leber- und Nierenzellen. Enthalten verschiedene Enzyme für z.B. Fettsäurestoffwechsel, Plasmalogensynthese, Entgiftung.
• Aktivität: Abbau von Fettsäuren und anderen Substraten, Synthese von Cholesterin und Gallensäuren, Entgiftung von Alkohol und Wasserstoffperoxid.

Zellorganellen – Mitochondrien

• Struktur: Doppelmembran, stark gefaltete innere Membran, Matrixraum, Cristae (Tubulär, Steroidhomron-Synthese, Sacculustyp).
• Endosymbiontentheorie: Entstehung durch Symbiose mit Prokaryoten. Doppelmembran und mitochondriale DNA als Hinweise.
• Mitochondriale DNA (mtDNA): Enthält Gene für Proteine der Atmungskette, eigene Replikation und Proteinbiosynthese, maternale Vererbung.
• Funktion: Energiegewinnung durch oxidative Phosphorylierung (ATP-Synthese). Beteiligung am Stoffwechsel (z.B. Gluconeogenese).

Plasmamembran - Aufbau und Funktion

• Aufbau: Dicke von 0,005-0,01 µm. Bestehend aus Phospholipiden, Proteinen und Kohlenhydraten. Amphiphil.
• Funktionen: Permeationsschranke, Zellerkennung und -interaktion, Rezeptorfunktion, Pumpstation für Ionen, elektrische Isolation im Nervensystem, Zell-Zell-Kontakte.

Plasmamembran - Membranstrukturen

• Membranstrukturen: Lipiddoppelschicht (amphilen Phospholipide), Einbuchtungen (Caveolae), Glykokalyx (Kohlenhydrate).
• Lipidanker: Proteine können mit hydrophobem Lipidanker an Aminosäureresten an die Membran gebunden sein (Myristoyl-, Farnesyl-, Palmitoyl-Anker).
• Proteine: Integrale und periphere Membranproteine, Verankerung durch GPI-Anker oder Lipidanker.
• Cholesterin: Beeinflusst Membranfluidität, bildet Lipidflößen.

Zytoskelett - Mikrotubuli

• Bestandteil: Von Kinozilien, Basalkörpern, Vorläufern der Zentriolen und Teilungsspindeln.
• Aufbau: Aus Heterodimeren (α- und β-Tubulin).
• Polarität: Plus-Ende (freie β-Untereinheit), Minus-Ende (freie α-Untereinheit).
• Entstehung: Im Mikrotubuliorganisationszentrum (MTOC).
• Transport: Durch Motorproteine (Kinesin und Dynein).
• Wichtig: Basalkörper und Zentriol haben eine 9 × 3-Struktur. Zilien und Geißeln haben eine 9 × 2 + 2-Struktur.

Zytoskelett - Intermediärfilamente

• Größe: Zwischen Mikrotubuli und Mikrofilamenten.
• Aufbau: Zentrale α-Helices, die zu Dimeren, Tetrameren und Octameren zusammenlagern.
• Polarität: Im Gegensatz zu Mikrotubuli und Aktinfilamenten nicht polar.
• Funktion: Mechanische Stabilisierung von Zellverbänden, Zugelastizität.

Zytoskelett - Intermediärfilamente für bestimmte Zellen

• Zytokeratin: Epithelzellen
• Vimentin: Fibroblasten, Fettzellen, Endothelzellen
• Neurofilamente: Neurone
• Desmin: Muskelzellen
• GFAP: Astrozyten (Gliazellen im ZNS)

Zytoskelett - Mikrofilamente

• Größe: 6-7 nm Durchmesser
• Polymerisation: Von G-Aktinmonomeren zu F-Aktin-Filamenten.
• Polarität: Minus- und Plus-Ende.
• Funktionen: Stabilisierung von Zellverbänden, Oberflächenstrukturen, Fortbewegung, Muskelkontraktion, Vesikeltransport mit Myosin V.

Zellkontakte - Desmosomen

• Funktion: Mechanische Stabilisierung von Zellen im Zellverband. Bestehen aus Haftplatten und Plaque. Verbindung durch Cadherine und Intermediärfilamente. Erkennbar als elektronendichte Strukturen zwischen benachbarten Zellen.

Zellkontakte - Hemidesmosomen

• Funktion: Verankern Zellen an der Basalmembran. Befestigung mittels Integrinen an Basallamina. Rolle bei der Haftung von Epithel- oder Endothelzellen.

Zellkontakte - Adhärenzkontakte

• Funktion: Mechanische Verbindung zwischen Zellen. Verbindung durch Aktinfilamente, Zonula adhaerens, Punctun adhaerens, Fascia adhaerens.

Zellkontakte – Tight Junctions

• Funktion: Gürtelförmige Struktur, verhindert parazellulären Transport. Bestehen aus Claudinen und Occludinen. Bildet eine Diffusionsbarriere in Epithelien. Polare Differenzierung.

Zellkontakte – Gap Junctions

• Funktion: Stoffaustausch und elektrische Kopplung zwischen Zellen. Durchlässig für kleine Ionen und Moleküle. Bestehen aus Connexonen, welche aus Connexinen bestehen.

Zellkontakte – Fokalkontakte

• Funktion: Punktförmige Strukturen, vermittel Kontakt zur extrazellulären Matrix. Rolle im Gefäßendothel und Muskel-Sehnen-Übergänge.

Kurz Wiederholung - Zellkontakte

• Übersicht über die wichtigsten Zellkontakte und ihre Funktionen.

Oberflächendifferenzierung - Mikrovilli

• Funktion: Oberflächenvergrößerung, Resorption bei resorbierenden Epithelien.
• Aufbau: Fingerförmige Ausstülpungen der Zellmembran. Länge bis zu 2 µm, Dicke etwa 0,1 µm. Aktinfilamente versteifen die Ausstülpungen.

Oberflächendifferenzierung – basales Labyrinth

• Funktion: Eingefaltete basolaterale Zellmembran. In Nierentubuli und Speicheldrüsen. Mitochondrien für Energieversorgung.

Oberflächendifferenzierung – Kinozilien

• Funktion: Bewegliche Zellfortsätze mit „9 × 2 + 2“-Mikrotubuli-System. Basalkörperchen verankern sie im Zytoplasma. Motilität durch Dynein und Kinesin.

Oberflächendifferenzierung – Stereozilien

• Funktion: Ähnlich Mikrovilli, aber unbeweglich. Beteiligt an Resorption und Sekretion. Sinnesstrukturen. Aktinfilamente.

Dieses Quiz behandelt zentrale Konzepte der Zytologie, insbesondere die Funktionen und Strukturen von Organellen und dem Zytoskelett. Testen Sie Ihr Wissen über das sarkoplasmatische Retikulum, Mikrotubuli, und Zellkontakte. Ideal für Studenten der Biologie oder Medizin.