Zelle PDF - Zellbiologie - Zusammenfassung

# Zelle ## 1.1 Die Grundeinheit des Lebens - Die Zelle ist die kleinste Einheit des Lebens. - Sie ist ein eigenständiger Organismus, der aus einem Genom, der DNA, besteht und sich durch eine Zellmembran von der Umgebung abgrenzt. - Sie zeigt Grundfunktionen des Lebens. Dazu gehören: - Stoff...

# Zelle ## 1.1 Die Grundeinheit des Lebens - Die Zelle ist die kleinste Einheit des Lebens. - Sie ist ein eigenständiger Organismus, der aus einem Genom, der DNA, besteht und sich durch eine Zellmembran von der Umgebung abgrenzt. - Sie zeigt Grundfunktionen des Lebens. Dazu gehören: - Stoffwechsel - Fortpflanzung - Reizbarkeit (Reizaufnahme) - Motilität (Bewegung) ### Stoffwechsel - In den Zellen werden zur Energiegewinnung Nährstoffe wie Fette, Kohlenhydrate und Proteine zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut, die dabei freiwerdende Energie wird in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert. - Diesen universellen Energiespeicher nutzt die Zelle, um Grundprozesse aufrecht zu erhalten oder um neue Stoffe zu synthetisieren. - Der Abbau von Stoffen wird als Katabolismus und der Aufbau als Anabolismus bezeichnet. ### Fortpflanzung - Die eigenständige Fähigkeit sich zu vermehren ist ein weiteres Kriterium der Zelle, als kleinste Einheit des Lebens definiert zu werden. - Beim Menschen erfolgt die geschlechtliche Vermehrung durch die Bildung von Keimzellen, die Ei- und Samenzellen: durch Befruchtung, die Vereinigung beider Zellen, entsteht ein neuer Organismus. ### Reizbarkeit - Alle unsere Zellen im Körper sind in der Lage, Reize aus dem Körperinneren und/oder aus der Umwelt aufzunehmen. - Diese Reize werden dann innerhalb der Zelle auf verschiedenste Art und Weise verarbeitet und beantwortet. - Reize können sowohl chemische Stoffe wie Hormone oder Neurotransmitter als auch physikalische Reize wie z.B. Druck, Schallwellen und elektromagnetische Wellen sein (vgl. Kapitel 7, 9 und 10). ### Motilität - Unter Motilität versteht man, dass Zellen sich bewegen können, wie etwa die aktive Einwanderung von Im.munzellen aus dem Blut ins Gewebe. - Zellfortsätze wie die Geißel der Spermien ermöglichen ihre Fortbewegung. - Auch innerhalb der Zellen können bspw. Zellorganellen einen Ortswechsel vornehmen. ## 1.2 Fakten zur Zelle - Man schätzt, dass der Mensch aus ca. 75 Billionen (75 x 10 ¹² ) Zellen besteht. - Die größte Zellpopulation mit ungefähr 25 x 10 ¹² Zellen stellen die Erythrozyten im Blut dar. - Das Nervensystem umfasst ca. 100 Milliarden Zellen. - Die Größe der menschlichen Zellen variiert stark. - Die kleinsten Zellen sind nur 5 Mikrometer groß. - Zu den größten Zellen des Körpers zählen die Eizellen, die mit einem Durchmesser von 150 Mikrometern knapp unter dem Auflösungsvermögen des Auges liegen. - So wie die Größe der Körperzellen variiert auch ihre Form. - Nervenzellen sind stark verzweigt und verfügen über eine Vielzahl an Fortsätzen unterschiedlicher Größe. - Ein rundes Aussehen haben Eizellen oder Immunzellen, ein spindelförmiges findet man bei den Muskelzellen und ein kubisches z.B. bei Epithelzellen, die in der Niere vorkommen. - Im Körper gibt es ca. 200 verschiedene Zelltypen: Muskelzellen, Bindegewebszellen, Leberzellen, Knochenzellen usw., die sich in ihrer spezifischen Funktion jeweils unterscheiden. - Alle Zelltypen gehen aus einer gemeinsamen Zelle, der befruchteten Eizelle, hervor, die sich im Laufe der Entwicklung stark vermehrt und differenziert. - Alle Zellen verfügen über den gleichen gemeinsamen Bauplan, übernehmen aber im Laufe der Differenzierung spezifische Aufgaben, an die ihre Funktionalität angepasst sind: Eine Knochenzelle hat nicht nur andere Aufgaben als eine Muskelzelle, sie funktioniert auch anders ## 1.3 Die menschliche Zelle: Aufbau und Bestandteile - Es gibt zwei grundsätzlich unterschiedliche Zelltypen. Man unterscheidet sogenannte Eukaryonten (Euzyten, Eukaryoten), also Zellen mit mikroskopisch sichtbarem Zellkern, von Prokaryonten (Prozyten, Prokaryoten) ohne Zellkern. - Bakterien zählen zur Gruppe der Prokaryonten und die menschlichen, tierischen und pflanzlichen Zellen zur Gruppe der Eukaryonten. - Alle eukaryontischen Zellen besitzen eine Hülle, die Zellmembran, die den Zellinhalt, das Zytosol, und den Zellkern, umgibt. Darin befinden sich zahlreiche Zellorganellen, die Funktionseinheiten der Zelle ### 1.3.1 Zellmembran - Die Zellmembran grenzt die Zelle nach außen hin ab. - Das Innere der Zelle wird als Intrazellularraum bezeichnet, während der Außenraum als Extrazellularraum definiert ist. - Durch die Zellmembran wird ein Außenraum von einem Innenraum unterschieden, was bspw. die Kontrolle des Stofftransports ermöglicht. #### Aufbau der Zellmembran - Aufgebaut ist die Zellmembran aus einer Doppelschicht von Phospholipiden. - Die einzelnen Phospholipide verfügen zur Außen- und Innenseite der Zelle über einen wasserliebenden (hydrophilen) Kopf, der aus einer Phosphatgruppe und einem Glycerinmolekül besteht. - Die fettliebenden (lipophilen) Schwänze, die aus Kohlenwasserstoffen von gesättigten und ungesättigten Fettsäuren bestehen, liegen einander zugewandt in der Mitte der Membran. ### 1.3.2 Zytosol - Eingebettet sind die Zellorganellen in das Zytosol, einen Flüssigkeitsraum, der zu 70-90% aus Wasser besteht. - Der Rest setzt sich aus Ionen, Proteinen, Kohlenhydraten und Ribonukleinsäuren zusammen. - Zahlreiche Stoffwechselwege, vor allem Synthesereaktionen, spielen sich im Zytosol ab. - In Leber- und Muskelzellen werden zur Speicherung von Glucose auch Glykogentröpfchen im Zytosol aufbewahrt. - In Fettzellen befinden sich Fettvesikel. ### 1.3.3 Zellorganellen - Das Vorkommen einer Vielzahl an Zellorganellen ist ein Charakteristikum der eukaryontischen Zelle. - Innerhalb der Zelle laufen unzählige anabole und katabole Prozesse zeitgleich ab. - Damit dies möglich ist, muss eine räumliche Trennung zwischen den Einzelvorgängen geschaffen werden, ansonsten würden bspw. neu gebildete Moleküle gleich wieder abgebaut werden. - Zellorganellen stellen also unterschiedliche Reaktionsräume innerhalb der Zelle dar. - Zellorganellen können von einer Doppelmembran, einer einfachen Membran oder von keiner Membran umgeben sein. - Die Membranen der Zellorganellen gleichen im Aufbau der Zellmembran, allerdings ist keine Glykokalyx vorhanden. #### Zellorganellen mit Doppelmembran - Dazu zählen der Zellkern und die Mitochondrien. ##### Zellkern - Ein Zellkern (Nukleus, Karyon) kommt in den meisten Zellen des Körpers vor. Ausnahmen bilden beispielsweise die roten Blutkörperchen und die Blutplättchen, die keinen Zellkern besitzen. - Mehrere Zellkerne enthalten bspw. die quergestreiften Skelettmuskelzellen (bis zu 1.000) oder bestimmte Knochenzellen wie Osteoklasten, die über 5-10 Zellkerne verfügen. - In der Regel ist der Zellkern rund bis länglich. - Einige Immunzellen weichen von diesem Schema ab, da ihre Zellkerne segmentiert sind. - Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umgeben, die für den Stoffaustausch zwischen Zellkern und Zytoplasma Kernporen besitzt. - Kernporen sind Proteinkomplexe, die durch beide Membranen ziehen und den Transport bestimmter Moleküle zum und aus dem Zellkern ermöglichen. - Die äußere Kernmembran geht an vielen Stellen in das raue endoplasmatische Retikulum über. - Während der Mitose und Meiose löst sich die Zellkernmembran auf. - Innerhalb eines bestimmten Bereiches des Zellkerns, dem Nukleolus, werden ribosomale Ribonukleinsäuremoleküle (rRNA-Moleküle) gebildet und zusammen mit spezifischen Proteinen zu sogenannten Ribosomenuntereinheiten zusammengesetzt. - Diese spielen eine wichtige Rolle für die Translation von RNA (vgl. 2.4.4). - Im Inneren des Zellkerns sind 46 Chromosomen in das sogenannte Kernplasma (Karyoplasma) eingelagert. - Sie enthalten sämtliche Erbinformationen der Zelle und steuern das gesamte Zellgeschehen sowie den Stoffwechsel. - Hierfür wird die DNA der Chromosomen abgelesen (Transkription) und als Boten-RNA (messenger-RNA, mRNA) über die Kernporen aus dem Zellkern geschleust. - Im Zytoplasma bzw. an den Ribosomen des endoplasmatischen Retikulums erfolgt die Umsetzung der mRNA-Moleküle in Proteine (vgl. 2.4.2 und 2.4.4). ##### Mitochondrien - Diese Zellorganellen werden als „Kraftwerke der Zelle" bezeichnet, ihre Anzahl in verschiedenen Zelltypen ist sehr variabel: Stoffwechselaktive Zellen wie Leber- oder Herzmuskelzellen enthalten bis zu mehrere tausend Mitochondrien, während Spermien nur ein paar wenige besitzen. - Umgeben sind sie von zwei Membranen, einer glatten äußeren und einer stark gefalteten inneren Membran, die zur Vergrößerung der Oberfläche beiträgt. - Der Raum zwischen den beiden Membranen wird als Intermembranraum bezeichnet. - Im innersten Raum, der Matrix, enthalten die Mitochondrien kleine ringförmige DNA-Moleküle, die sogenannte mitochondriale DNA (mtDNA). - Sie trägt die Information (codiert) für einen ganz kleinen Teil von mitochondrialen Proteinen. - Sämtliche Nährstoffe (Fette, Kohlenhydrate, Proteine) werden in den Mitochondrien zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut. - Die dabei freiwerdende Energie wird in der mitochondrialen Atmungskette, die sich in der inneren Membran befindet, in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert. - ATP ist der universelle Energieträger der Zellen. - Energieverbrauchende Prozesse in der Zelle wie z. B. die Synthese von Proteinen oder Muskelarbeit werden durch ATP ermöglicht. #### Zellorganellen mit einer Membran - Zu diesen Organellen zählen das endoplasmatische Retikulum, der Golgi-Apparat, die Lysosomen und die Peroxisomen. - Die Zellmembran ist undurchlässig für: - lonen (z. B. Na+, K+, Cl) - große Moleküle wie Glucose, Aminosäuren, Proteine - Für lonen existieren sogenannte Kanalproteine, die Poren gleichen und den Durchtritt der geladenen lonen ermöglichen. - Der Transport von Molekülen erfolgt über spezifische Transport- oder Kanalproteine. - Aminosäuren etwa binden an Transportproteine, werden von ihnen durch die Zellmembran geschleust und auf der gegenüberliegenden Seite freigesetzt (vgl. 1.4.1). - Für sehr große Moleküle wie Proteine oder Zellbruchstücke existiert ein sogenannter Bläschentransport (vgl. 1.4.3). ##### Endoplasmatisches Retikulum - Fast in jeder Zelle existiert ein ausgedehntes Netz aus schlauchförmigen Hohlräumen, das sich durch die Zellen zieht: das sogenannte endoplasmatische Retikulum. - Befinden sich außen Ribosomen, so spricht man vom rauen endoplasmatischen Retikulum (rER), fehlen diese, so wird es als glattes endoplasmatisches Retikulum (gER) bezeichnet. - Während das rER der Bildung von Proteinen dient, z. B. Membranproteinen, lysosomalen Proteinen oder Proteinen, die nach außen abgegeben werden, werden im gER vor allem Membranlipide und Steroidhormone, z. B. Testosteron und Östrogen, gebildet. ##### Golgi-Apparat - Der Golgi-Apparat besteht typischerweise aus Stapeln von 5-10 membranumschlossenen „Scheiben“, den Dictyosomen, die übereinander angeordnet sind. - An ihren Rändern schnüren sich kleine membranumschlossene Bläschen (Vesikel) ab, in denen Proteine innerhalb der Zelle transportiert werden (vgl. 1.4.3). - Im Golgi-Apparat werden zwei „Seiten“ unterschieden: eine Eingangsseite (cis-Seite) und eine Abgabeseite (trans-Seite). - Vesikel treten auf der Eingangsseite ein und werden auf der Abgabeseite abgegeben. - Die Funktion des Golgi-Apparates besteht in der Modifikation von Proteinen. - Er verknüpft sie mit anderen Molekülen, z. B. Zuckerketten, woraufhin sie in die Zellmembran oder in Zellorganellen eingebaut oder als Sekret nach außen abgegeben werden. - Die Proteine stammen aus dem rER, sie werden in Vesikel verpackt zum Golgi-Apparat transportiert. - Dort fusionieren sie auf der Eingangsseite mit dem Dictyosom und werden nach der Modifikation auf der trans-Seite als Vesikel wieder abgegeben (vgl. 1.4.3). ##### Lysosomen - Bei den Lysosomen handelt es sich um kleine, membranumschlossene Vesikel, deren Hauptfunktion im Abbau von Eigen- bzw. Fremdmaterial wie Bakterien, intrazellulären Molekülen und Zellorganellen besteht. - Für diesen Zweck enthalten sie Enzyme. - Ihre Funktion ist die einer Müllabfuhr bzw. Recyclingstation. ##### Peroxisomen - Peroxisomen sind kleine, sehr kurzlebige, membranumschlossene Vesikel, die Zellgifte wie Wasserstoffperoxid abbauen. #### Zellorganellen ohne Membran - Zu diesem Typ zählen die Ribosomen und das Zytoskelett. - Die Zellmembran ist undurchlässig für: - lonen (z. B. Na+, K+, Cl) - große Moleküle wie Glucose, Aminosäuren, Proteine ##### Ribosomen - Ribosomen bestehen aus einer großen und einer kleinen Untereinheit, die jeweils aus ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen besteht. - In den eukaryontischen Zellen kommen zwei Arten von Ribosomen vor, die 80s- und 70s-Ribosomen, wobei die größeren Ribosomen am rauen endoplasmatischen Retikulum an der äußeren Kernmembran und im Zytoplasma lokalisiert sind. - Die kleineren 70s-Ribosomen befinden sich nur in der Matrix der Mitochondrien und dienen der Synthese mitochondrialer Proteine. - Ribosomen übernehmen eine wichtige Funktion für die Genexpression. - Sie sind der Ort der Proteinsynthese (Translation, vgl. 2.4.4). - Hier erfolgt die Umschreibung von mRNA in ein Protein. - Fast in jeder Zelle existiert ein ausgedehntes Netz aus schlauchförmigen Hohlräumen, das sich durch die Zellen zieht: das sogenannte endoplasmatische Retikulum. ##### Zytoskelett - Das Zytoplasma der Zelle ist von einem Netz aus Proteinen durchzogen. - In ihrer Gesamtheit bilden sie das Zytoskelett, das der Zelle Stabilität und Form verleiht. - Dazu zählen (sortiert nach absteigender Größe): - Mikrotubuli - Intermediärfilamente - Mikrofilamente ###### Mikrotubuli - Zu den größten Elementen des Zytoskeletts zählen die Mikrotubuli, die das Zytoplasma durchziehen. - Sie gleichen Röhren, die aus einzelnen Proteinuntereinheiten, den Tubulinen, aufgebaut sind. - Zu den Mikrotubuli gehört auch der Spindelapparat, der sich während der Mitose und Meiose in den teilenden Zellen auf- und abbaut. - Während der Spindelapparat nur vorübergehend existiert, sind andere Mikrotubuli permanent vorhanden und am zellulären Transport und der Formgebung der Zelle beteiligt. ###### Intermediärfilamente - Bekannt sind beim Menschen über 60 verschiedene Intermediärfilamente, die spezifisch in unterschiedlichen Zelltypen vorkommen. - Es sind langgestreckte, parallel angeordnete Faserproteine, die der Zelle Stabilität verleihen und beispielsweise am Aufbau von Zell-Zell-Verbindungen beteiligt sind. ###### Mikrofilamente - Zu den Mikrofilamenten zählt das vor allem im Muskel vorkommende Aktinfilament, das ein langes, fadenförmiges Protein ist. - Oftmals schließen sich mehrere Aktinfilamente zu Bündeln zusammen, die dann als Fibrillen bezeichnet werden. - Aktinfilamente sind nicht nur ein Hauptbestandteil von Muskelzellen, sondern kommen auch in vielen anderen Zellen vor, z. B. in den Mikrovilli (Singular: Mikrovillus) der Darmepithelzellen, für deren Eigenbewegung sie verantwortlich sind (vgl. 11.5).