Biologie 4 PDF - Zellinformationen

4 Die menschliche Zelle Eines der mit Abstand wichtigsten Kapitel in diesem Skriptum. Solltet ihr den Aufnahmetest schaffen, wird es auch noch in vielen Vorlesungen und Seminaren um den Aufbau, die Eigenschaften und Inhalte von Zellen und deren Kommunikation untereina...

4 Die menschliche Zelle Eines der mit Abstand wichtigsten Kapitel in diesem Skriptum. Solltet ihr den Aufnahmetest schaffen, wird es auch noch in vielen Vorlesungen und Seminaren um den Aufbau, die Eigenschaften und Inhalte von Zellen und deren Kommunikation untereinander gehen. Die menschliche Zelle ist die kleinste eigenständige, funktionale Einheit des Körpers. Sie ist durch die DNA mit allen Bauplänen ausgestattet, die sie für ihre Funktionen im menschlichen Körper braucht. 4.1 Zellorganellen 4.1.1 Zellkern Der Zellkern (auch Karyon, Nucleus) liegt mitten in der Zelle, seine Hauptaufgabe ist die Aufbewahrung und Verarbeitung von DNA. Die wichtigsten Vorgänge, welche im Zellkern ablaufen sind die Replikation und Transkription. (siehe Kap. 7) Die meisten Zellen besitzen einen Zellkern (Ausnahme Erythrozyten). Im Vergleich zu den anderen Zellorganellen ist dieser so groß, dass man ihn sogar im Lichtmikroskop erkennen kann. Er besteht aus: Karyoplasma Kernplasma: Chemisches Milieu, in welchem alle Kernreaktionen stattfinden können Chromosomen Enthalten die DNA, auf welcher die Informationen liegen. Die DNA kann den Zellkern nicht verlassen! (nur in Form von mRNA, tRNA etc.) Nucleoli (Sg. Nucleolus) Kernkörperchen: enthalten RNA und Proteine und sind wesentlich an der Synthese von Ribosomen beteiligt, welche in einem essentiellen Schritt der Proteinsynthese zur Umwandlung von mRNA in Proteine notwendig sind. Der Zellkern liefert somit sozusagen den eigenen Drucker für seine gespeicherten Informationen. Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 17 4.1.1.1 Doppelmembran mit Kernporen Diese sind die „Gatekeeper“. Sie regulieren den Transport in und aus dem Zellkern. So können zum Beispiel Gifte und zu große Moleküle nicht in das wichtigste Kompartiment der Zelle eindringen, gleichzeitig aber z.B. mRNA Stränge mit wichtiger Information zur Weiterverarbeitung nach draußen transportiert werden. Die Kernmembran ist direkt mit dem rauen Endoplasmatischen Retikulum verbunden und besitzt Ribosomen auf seiner Oberfläche. Verdeutlichen wir das Aufgabenfeld eines Zellkerns anhand eines Beispiels: Im Körper haben sich Bakterien eingenistet. Diese wurden vom Immunsystem erkannt und Signalbotenstoffe ausgeschüttet. Diese Signalbotenstoffe werden an der Zellmembran durch Rezeptoren erkannt und in die Zelle eingeschleust. In der Zelle binden sie an Transporter, welche sie zum Zellkern bringen. Dort aktivieren sie sogenannte „Promoterregionen“, die dafür sorgen, dass ein bestimmter DNA-Abschnitt ausgelesen, also die DNA in RNA bzw. mRNA umgeschrieben, und dann durch die Kernporen hinaustransportiert wird. Im Zytosol, dem Zellplasma, binden sie an die Ribosomen, die dann die mRNA in ein Protein übersetzen können. Dieses Protein hat nun besondere Eigenschaften und kann beispielsweise im Rahmen der bakteriellen Infektion bei entzündlichen Prozessen mitwirken und so die Bakterien bekämpfen. Der Zellkern hat somit die Aufgabe der Informationsspeicherung und Verwaltung! 4.1.2 Zytoplasma Das Zytoplasma ist der Inhalt der Zelle. Es setzt sich aus dem Cytosol (der Zellflüssigkeit), den Organellen (ohne Zellkern) und dem Zytoskelett zusammen. Am Rande der Zelle ist es dickflüssiger und wird als Ektoplasma bezeichnet, innerhalb der Zelle ist es dünnflüssiger, man bezeichnet es als Endoplasma. Ebenso wie dem Blut im menschlichen Körper kommen dem Zytoplasma besondere Aufgaben zu. Es muss pH-Wert-Änderungen abpuffern können, Nährstoffe bereitstellen, den Anforderungen der einzelnen Organellen gerecht werden, Transporter und Enzyme für wichtige Reaktionen beinhalten. Es besteht zu 80-85% aus Wasser, zu 10-15% aus Proteinen. Der Rest setzt sich aus Lipiden, Polysacchariden, RNA und organischen Molekülen zusammen. Generell ist es in der Biochemie sinnvoll, die Begriffe unter dem Aspekt der Untersuchungsmöglichkeiten im Labor zu betrachten. Cytosol ist das, was übrig bleibt, wenn man die Membran einer Zelle zerstört und in der Hochleistungszentrifuge die festen Bestandteile abzentrifugiert – nur die wässrige Lösung sozusagen. Zentrifugiert man sie nicht ab, so bezeichnet man die Mischung als Zytoplasma. Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 18 4.1.3 Zellmembranen Auch die Zellmembran ist ein sehr wichtiges Organell. Sie ist die Kontaktstelle nach außen, ermöglicht, dass innerhalb der Zelle ein konstantes Milieu aufrechterhalten werden kann und verhindert, dass das Zytoplasma aus dem Gleichgewicht gerät. Wird die Zellmembran zerstört, stirbt die Zelle ab (Nekrose). In der Zellmembran sind wichtige Proteine eingebaut, welche Informations- und Stofffluss erlauben. Die Zellmembran besteht aus einer Doppelschicht von Phospholipiden. Diese bestehen meistens aus Glycerin, 2 Fettsäuren und einer Phosphatgruppe. Die Phosphatgruppe ist hydrophil (deutsch „wasserliebend“) und deswegen der Außenseite und Innenseite – dem wässrigen Milieu – zugeneigt. Die Fettsäureschwänze sind einander zugeneigt. So bildet sich zwischen den Phosphatseiten ein lipophiles Milieu („fettliebend“, nicht wasserlöslich). In der Membran eingebettet sind: Periphere Membranproteine o Zur Zellidentifikation Transmembranproteine o Kanäle, Transporter, Signalproteine Integrale Membranproteine o Veränderung der Hülleneigenschaften Glykolipide o Zellidentifikation (z.B.: AB0-Blutgruppensystem) Cholesterol o erhöht die Stabilität Etwa die Hälfte aller zugelassenen Arzneimittel wirkt auf Proteine in der Zellmembran! 4.1.4 Mitochondrien Es handelt sich hierbei um das Kraftwerk der Zelle. Der Energieträger des menschlichen Körpers (ATP = Adenosintriphosphat) wird dort produziert. Es besitzt eine Doppelmembran und hat eine eigene zirkuläre DNA. Besonders hohe Konzentrationen an Mitochondrien finden sich in Zellen mit hohem Energieverbrauch (Muskelzellen, Nervenzellen, Eizellen). Die Mitochondrien werden über das Plasma der Eizelle nur von der Mutter (!) an die Kinder vererbt. Mitochondrien selbst vermehren sich durch Wachstum und Sprossung und werden bei der Zellteilung einfach zu 50% weitergegeben. Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 19  Außenmembran In der Außenmembran befinden sich Poren, welche den Austausch von Nährstoffen und Ionen zulassen. Geht diese Membran kaputt (gesteuert oder nicht gesteuert), können Stoffe aus dem Mitochondrium entweichen, was zum programmierten Zelltod führt (Apoptose). Membranzwischenraum In diesem Raum befinden sich dieselben Konzentrationen an kleinen Molekülen wie im Zytosol, vor allem das Vorhandensein von Zucker ist hier relevant. Der Membranzwischenraum enthält eine hohe Konzentration an H+-Ionen, welche durch die Atmungskette erzeugt werden. Innenmembran In der Innenmembran sitzt die ATP-Synthase, ein Protein, welches aufgebaut ist wie eine Turbine. Die H+-Ionen strömen ein und treiben dieses an, hierbei wird ATP produziert. Matrix Die Matrix enthält alle wichtigen Moleküle, die für das Mitochondrium und die ATP- Synthase notwendig sind. Cristae Als Cristae bezeichnet man die Einstülpungen der Innenmembran, die lediglich dazu dienen die Reaktionsfläche zu erhöhen. Ribosom Das Mitochondrium hat seine eigene DNA und benötigt dafür auch eigene Ribosomen, welche etwas anders aufgebaut sind als die des Zellkerns. Granula Diese speichern Fette, Pigmente, Sekrete etc. In Lehrbüchern werden Mitochondrien immer als bohnenförmig dargestellt, in Wirklichkeit bilden sie in der Zelle, ähnlich dem endoplasmatischen Retikulum, eher ein tubuläres (rohrförmiges) Netz. 4.1.5 Endoplasmatisches Retikulum Übersetzt bedeutet es so viel wie „im Zytoplasma liegendes Wurfnetz“. Das ER wird unterschieden in raues ER und glattes ER - warum? Weil im Elektronenmikroskop ein Teil „rau“ aussieht und ein Teil nicht. Am rauen ER sind Ribosomen angelagert (die kleinen Pünktchen in der Grafik), die ihm seine charakteristische Eigenschaft verleihen. Das ER ist direkt mit der Kernmembran verbunden und verläuft vom Rauen in den glatten Bereich. Die Aufgaben sind von ER-Art (rau/glatt) abhängig: Raues ER: Proteinbiosynthese Membranproduktion Glattes ER: Hormonsynthese Kohlenhydratspeicherung Entgiftung Calciumspeicherung Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 20  Membranphospholipid-Synthese Das ER ist, wie in der Grafik unter 6 und 7 ersichtlich, dazu fähig, Vesikel (kleine Bläschen) mit spezifischen Inhaltsstoffen abzuschnüren und zum Golgi-Apparat zu transportieren. In den Muskelzellen gibt es eine spezielle Form des Endoplasmatischen Retikulum, welches Sarkoplasmatisches Retikulum genannt wird. Diese dient als Calciumspeicher. 4.1.6 Ribosomen Ribosomen bestehen aus Proteinen und ribosomaler RNA (rRNA) und sind für die Proteinbiosynthese zuständig. Sie kommen sowohl im Cytoplasma als auch in den Mitochondrien und Chloroplasten vor. Die eukaryotischen Zellen besitzen Ribosomen mit einer Masse von 80S. (Svedberg = Sedimentationskonstante, welche als Massenangabe bei hochmolekularen Substanzen verwendet wird) Diese bestehen aus einer 40S und einer 60S Untereinheit. Prokaryotische Zellen und Mitochondriale Ribosomen besitzen 70S Ribosomen. (30S und 50S Untereinheit) Sie sind zellwandlos! Bei der Translation bindet die mRNA an die kleine Untereinheit der Ribosomen und verbindet später diese mit der großen Untereinheit. Es entstehen drei Domänen: A-Domäne (Aminoacyl) P-Domäne (Peptidyl) E-Domäne (Exit) Während des Translationszyklus sind unterschiedliche Stellen des Ribosoms besetzt. Beim prä- Translationszustand die ersten beiden, beim post-Translationszustand die Domänen P und E. 4.1.7 Golgi-Apparat Es handelt sich hierbei um eine Ansammlung aus mehreren, membranumschlossenen Räumen - Zisternen. Einzelne Stapel werden als Dictyosomen bezeichnet. Es gibt eine Seite, die dem Zellkern zugeneigt ist (cis-Golgi-Netzwerk) und eine abgewandte Seite (trans-Golgi-Netzwerk). Die Aufgaben des Golgi-Apparats sind relativ einfach: Bildung und Speicherung sekretorischer Vesikel (Bläschen gefüllt mit Sekret) Synthese und Modifizierung von Membranbausteinen (wurden meist vorher vom ER gesendet) Bildung von lysosomalen Proteinen und dem primären Lysosom (dazu später mehr) Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 21 Um es kurz zu machen: der Golgi-Apparat ist die Poststation in der Zelle. Der Kern gibt über das ER einen Brief in Form eines Vesikels auf und der Golgi-Apparat schickt ihn an seinen Bestimmungsort. 4.1.8 Lysosomen Lysosomen sind „kugelförmige Bläschen“, welche nur in Eukaryoten vorkommen. Sie sind die Müllhalde der Zelle und beinhalten hydrolytische (spaltende) Enzyme, die für den Abbau körpereigener oder fremder Stoffe benötigt werden. Diese Abbauenzyme (z.B. Proteasen, Lipasen, Nukleasen) werden im ER gebildet und durch Transportvesikel zu den Lysosomen gebracht. Im Inneren der Lysosomen herrscht ein pH-Wert von unter 5. Dieser stark saure Bereich wird durch eine ATPase aufrechterhalten, das heißt durch das Aufspalten von ATP zu ADP + Phosphat werden H+-Ionen in das Lysosom gepumpt. Ebenso haben Lysosomen eine wichtige Aufgabe bei der Apoptose, dem programmierten Zelltod. 4.1.9 Peroxisomen Peroxisomen sind ähnlich wie Lysosomen zum Zersetzen von verschiedenen zellulären Molekülen zuständig. Im Unterschied zu den Lysosomen spalten sie sich nicht direkt vom Golgi- Apparat ab, sondern replizieren sich eigenständig. Am häufigsten kommen sie in den Leberzellen vor. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die während des Energiestoffwechsels entstehenden freien Radikale zu entfernen. Dies gelingt dadurch, dass sie viele Mono- und Dioxygenasen im Lumen haben. Das bekannteste Enzym in den Peroxisomen ist die Katalase, welche Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff umwandelt. Die Enzyme der Peroxisomen werden auch Peroxidasen genannt! Außerdem können Peroxisome Stoffwechselprodukte, wie z.B. Ethanol und Fettsäuren in Essigsäure umwandeln. Wichtig ist zu wissen, dass keine Energie in Form von ATP entsteht (wie zB. bei den Mitochondrien), sondern Essigsäure, welche wiederum zur Cholesterinsynthese oder Fettsäuresynthese verwendet werden kann. 4.1.10 Endosomen Endosomen spielen eine Rolle beim interzellulären Transport von Lipiden und Proteinen. Nachdem ein Molekül durch Endozytose in die Zelle aufgenommen wird, fusioniert dieser Vesikel mit dem so genannten frühen Endosomen. Danach werden sie entweder zum Abbau zu den Lysosomen transportiert oder aber zurück zur Plasmamembran. Späte Endosomen entstehen aus den frühen Endosomen und spielen eine Rolle bei der Regulierung von Rezeptoren. Wenn es zu einer Fusion von Lysosom und Endosom kommt, nennt man das Produkt Endolysosom. Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 22 4.1.11 Proteasom Proteasomen sind für den Abbau von unerwünschten Proteinen in der Zelle verantwortlich. Sie haben einen zylindrischen Aufbau mit einer zentralen Kammer und ein “Stöpsel” an jedem Ende. Die Innenseite der Kammer besteht aus Proteasen (Enyzme mit der Fähigkeit Proteine abzubauen), die “Stöpsel” aus mehreren Proteinuntereinheiten, die die zum Abbau bestimmten Proteine in die Kammer schleusen. Damit ein Protein zum Proteasom transportiert wird, muss es ubiquitiniert werden. Sprich: es wird von speziellen Enzymen mit einem oder mehreren Ubiquitin-Protein(en) markiert und somit von den Proteinen der “Stöpsel” erkannt und ins Proteasom hineingezogen. Sobald ein Protein in die Kammer des Proteasoms gezogen wird, wird es von den Proteasen in kurze Peptide gespalten. Dieser Mechanismus ist besonders hilfreich bei Proteinen, die nur eine sehr kurze Wirk- und Lebensdauer haben sollen. Oft befindet sich schon in ihrer Aminosäuresequenz eine Stelle, die das Protein anfällig zur Ubiquitinierung und somit zum Abbau macht. Auch fehlerhafte Proteine mit Schaden in ihren Aminosäuren oder eine falsche Faltung werden von diesem Markierungssystem erkannt. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass bestimmte Aminosäuresequenzen, die sich normalerweise tief im Inneren des Proteins befinden, durch Beschädigung oder Fehlfaltung an die Oberfläche gelangen und somit von Enzymen gelesen werden können. 4.1.12 Zytoskelett Als Zytoskelett bezeichnet man das Gerüst von eukaryotischen Zellen. Es wird für die Stabilität und die Struktur der Zelle benötigt und besteht aus Mikro/Aktinfilamenten, Intermediärfilamenten und Mikrotubuli. Weitere Aufgaben des Zytoskeletts sind das Fixieren von Zellorganellen, wie Mitochondrien, und der interne Zelltransport durch Filamente. Mikrotubuli: sind röhrenförmig aufgebaut und bestehen aus Tubulin alpha und beta. Sie sind in einem permanenten Auf- und Abbau an den Enden, der als Polymerisation und Depolymerisation bezeichnet wird. So bilden die Mikrotubuli auch den Spindelapparat bei der Mitose, der sich ja auf- und wieder abbaut. Zudem dienen sie als „Schienen“ für den intrazellulären Transport von Membranvesikeln und von Organellen in der Zelle. Diese „Transporte“ werden von sogenannten Motorproteinen (Kinesin und Dynein) durchgeführt, die sich unter ATP-Verbrauch an den Mikrotubuli entlanghangeln und die Vesikel quasi mit sich ziehen. Der Durchmesser der Mikrotubuli beträgt ca. 20 - 30 nm. Intermediärfilamente: bestehen aus verschiedenen Proteinen und liegen mit 10nm zwischen den Mikrotubuli und den Mikrofilmenten. Es gibt 5 verschiedene Typen wobei die wichtigsten die sauren und basischen Zytokeratine darstellen. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der mechanischen Stabilität, weil sie hohe Zugkräfte aufnehmen können. Außerdem sind sie auch zur Signalübertragung fähig. Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 23 Mikrofilamente: Mit etwa 6 -9 nm die kleinsten Bestandteile des Zytoskeletts. Sie bestehen aus Aktin und werden hautsächlich für den Erhalt der Zellstruktur und der Zellbewegung benötigt. Sie spielen eine Rolle bei der Zellteilung und erhalten auch die Struktur der Mikrovilli im Darm. 4.1.13 Zentriolen/Zentrosom Das Zentrosom ist ein Organell in der Zelle, in welchem mehrere Zentriole organisiert sind. Ein Zentriol ist ein Zusammenschluss mehrerer Mikrotubuli. Das Zentrosom besteht aus dem Ursprung mehrerer Zentriole und stellt damit quasi einen Verkehrsknotenpunkt dar. Bei der Zellteilung gehen vom Zentrosom die Mikrotubuli aus, welche anschließend für die Trennung der Chromosomen verantwortlich sind (=Spindelapparat). Deshalb wird es auch als MTOC (Mikrotubuli Organisationszentrum) bezeichnet. 4.2 Zellkontakte Beschreiben den Kontakt zwischen Zellen. Dieser kann dauerhaft oder temporär sein und ermöglicht die Verbindung zwischen Zellen und in weiterer Folge die Bildung von Gewebe. Ebenso dienen sie der Kommunikation zwischen Zellen und deren Stabilität. Rechts abgebildet ist Dünndarmepithel (die oberflächlichste Schicht des Dünndarms). Desmosom = ist eine enge Verbindung zwischen Zellen und ihrem angrenzenden Bindegewebe. Sie kommen häufig in Zellen mit intensiver mechanischer Belastung vor, z.B. Herzmuskelzellen. Hemidesmosom Diese verbinden die Zellen mit einer Basallamina. Diese ist ein Band aus Bindegewebe, auf dem die Zellen fixiert sind. Tight-Junctions Sind Verbindungen, welche 2 Membranen miteinander fixieren. Ihr Sinn besteht darin, Stoffe daran zu hindern „seitlich vorbei zu diffundieren“ und die Zelle zu umgehen. Gap junctions Sie sind genau definierte „Kanäle“, welche die Zellen miteinander verbinden, sie dienen dem Stoff und Informationsaustausch Zonula adhaerens -> Ein Muskelband knapp unterhalb der Zellmembran Zonula occludens -> Diffusionsbarriere Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 24 4.3 Zellfortsätze 4.3.1 Kinozilien/Zilien Es handelt sich um 10µm lange, fadenförmige Zellfortsätze, welche unter dem Mikroskop wie „Härchen“ aussehen. Es handelt sich dabei um Mikrotubuli- Fortsätze, die mit Hilfe von Kinin und Dynein (speziellen Motorproteinen) zur Bewegung fähig sind. Ein gutes Beispiel für den Einsatz von Zilien ist das Flimmerepithel in den Bronchien, die Zilien schlagen dort ca. 20-mal/Sek. und transportieren so Schleim und Fremdkörper in Richtung Luftröhre. 4.3.2 Geißeln/Flagellen Flagellen sind Proteinfäden außerhalb der Zellmembran, die sich nicht aktiv verformen, an ihrem in der Zelle verankerten Ende allerdings durch einen Motor in Drehung versetzt werden. So können sie – ähnlich wie ein Propeller – einen Schub oder Zug ausüben. Prokaryotische Geißeln unterscheiden sich stark von den eukaryotischen Geißeln im Aufbau des „Motors“ - sie resultieren aber allesamt in der gleichen Bewegung. Ein Beispiel ist die Fortbewegung von Spermien. 4.3.3 Mikrovilli/Zotten Mikrovilli sind fadenförmige Ausstülpungen der Zelle, die der Oberflächenvergrößerung von Zellen und damit der Verbesserung des Stoffaustausches dienen. Ein Paradebeispiel ist die Dünndarmschleimhaut, die für eine möglichst großflächige Resorption ausgelegt ist. Zum einen durch Schleimhautausstülpungen, den sogenannten Zotten. Zudem besitzen die Zotten bzw. die Epithelzellen an der dem Darm zugewandten Seite der Zotten, ebenjene Mikrovilli, die die Resorptionsfläche nochmal um ein Vielfaches erhöhen. Die Mikrovilli zusammengenommen sehen unter dem Mikroskop wie eine Bürste aus, daher werden sie auch Bürstensaum genannt. 4.4 Stofftransport Es gibt Stofftransport in der Zelle in den verschiedensten Formen, wir beschränken uns hier nur auf Stichworte, da dies ein wesentlicher Inhalt von Block 3 im ersten Jahr ist. Diffusion Entlang eines Konzentrationsgradienten können Stoffe z.B. O2 oder CO2 die Zellmembran ungehindert passieren. Diese Art von Transport ist im Mitochondrium am meisten vertreten und außerhalb der Zelle wenig. Passiver Transport Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 25  Generell versteht man unter passivem Transport den Transport durch verschiedene Kanäle entlang eines Gradienten o Ionen-Kanäle Zur Aufnahme von größeren Molekülen werden „Transporter“/Carrier benötigt: o Carrier Proteine o Symporter Nehmen beispielsweise 2 Ionen auf, ein Ion wird gegen den Gradienten und ein Ion mit dem Gradienten transportiert, wodurch keine Energie benötigt wird. Aktiver Transport o Ionenpumpen Beispielsweise die Natrium-Kaliumpumpe schleust Natrium aus der Zelle und Kalium in die Zelle, sie arbeitet immer gegen den Gradienten und benötigt dafür Energie in Form von ATP. Vesikeltransport Generell ist dies ein sehr komplexer Ablauf, die Zellmembran wird innen abgeschnürt und ganze Vesikel auf einmal aufgenommen oder abgegeben. o Endozytose o Exozytose o Zytoskelettransport Hierbei werden die aus Endozytose entstanden Vesikel durch Adapterproteine an den Mikrotubuli entlang transportiert, ähnlich einem Zug. 4.5 Allgemeine Zellcharakteristika Nachdem wir uns detailliert mit dem Aufbau menschlicher Zellen beschäftigt haben, wollen wir uns nun der Frage widmen, was eine Zelle per se ausmacht. Dazu greifen wir den Beginn dieses Kapitels noch einmal auf: „Die menschliche Zelle ist die kleinste eigenständige, funktionale Einheit des Körpers.“ Was bedeutet das? Du hast vielleicht schon mal davon gehört, dass gespendete Organe, wie z.B. ein Herz, das für eine Transplantation benötigt wird, an spezielle Maschinen angeschlossen werden können, die diese Organe mit Blut und Nährstoffen versorgen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Herz am Leben erhalten wird und noch funktionsfähig ist, wenn es im OP beim Empfänger ankommt. Aus der Tatsache, dass wir die Möglichkeit haben, Organe künstlich am Leben zu erhalten, folgt dass ein Organ eine eigenständige Funktionseinheit ist. Das heißt, das Organ kann seine Funktion eigenständig ausüben. In unserem Körper greift natürlich alles als ein großes Ganzes ineinander (Versagen z.B. die Nieren, ist es nur eine Frage der Zeit, bis Schadstoffe, die nicht mehr über den Urin ausgeschieden werden können, sich im Blut ansammeln und auch andere Organe schädigen. Stoppt unser Herz, werden die Organe gar nicht mehr versorgt.), aber per se kann ein Organ als eigenständige Funktionseinheit betrachtet werden. Ausgehend vom Organ können wir uns aber auch eine Ebene „nach unten“ bewegen und gelangen so zu den Geweben, die das entsprechende Organ bilden. Eine weitere Stufe darunter stehen dann die einzelnen Zellen. (Genaueres dazu in Kapitel 5. Der menschliche Körper.) Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 26  Was hat das eben Gesagte jetzt für eine Bedeutung für die Zelle? Nun, genauso wie wir Organe künstlich erhalten können, können wir in einem Labor eine einzelne Zelle isolieren und sie auf einen geeigneten Nährboden setzen. Solange wir der Zelle alles an Nährstoffen zuführen, was sie zum Überleben benötigt, kann sie ihren eigenen Stoffwechsel betreiben, sich teilen und lebt fort. Mit anderen Worten: auch sie ist eine eigenständige Funktionseinheit! Würden wir uns jetzt noch eine Ebene hinabbewegen, so kommen wir bei den Zellorganellen an. Diese sind im Gegensatz zur Zelle jedoch nicht in der Lage eigenständig zu überleben. * Sie sind auf die anderen Zellorganellen (und damit auf die Zelle als übergeordnete Struktur) angewiesen. So können die Ribosomen keine Aminosäuren translatieren, wenn nicht zuvor der Zellkern mRNA liefert, diese kann auch nicht an das ER oder den Golgi-Apparat weitergereicht werden und somit wird nie ein Protein geliefert, welches wichtige Funktionen erfüllen soll. Ein Überleben ist somit nicht möglich. Deshalb hat die Zelle den Titel als kleinste Funktionseinheit. *Anmerkung: eine Ausnahme bilden die Mitochondrien. (Siehe auch 3.3 Endosymbiontentheorie und 4.4 Mitochondrien) Daraus folgt natürlich, dass die Zelle auch die Grundeigenschaften der Lebewesen (Siehe auch Kapitel 2), die wir bereits besprochen haben, erfüllt: Reizbarkeit Fortpflanzung Stoffwechsel Wachstum Bewegung Energieaustausch Wie oben bereits erwähnt, handelt es sich hier jedoch um grobe Charakteristika. Je nachdem, um welche Art von Zelle es sich handelt, können diese Eigenschaften unterschiedlich stark ausgeprägt sein. So sind die Nervenzellen eines Erwachsenen beispielweise nicht mehr zur Zellteilung fähig. 4.6 Zellteilung Ohne der Zellteilung wäre die Fortpflanzung und das Wachstum nicht möglich. Bei der Zellteilung (oder auch Zytokinese genannt) werden die einzelnen Organellen bzw. Zellkompartimente auf sogenannte Tochterzellen übertragen. Bei Eukaryotischen Zellen muss davor die Kernteilung (Mitose oder Meiose) stattfinden, um die genetische Information (also die DNA) auf die Tochterzellen zu verteilen. Die Zellteilung kann jedoch auch unabhängig von der Kernteilung stattfinden. Nachdem die DNA verdoppelt ist, wird die Zelle durch Einziehen von neuer Zellmembran abgeschnürt und es entstehen zwei Tochterzellen. Die Zellteilung ist ein wichtiger Vorgang in Lebewesen und wird streng reguliert, denn unkontrollierte Zellteilung führt meist zur Tumorentstehung. Kernteilung und Zellteilung werden als Zellzyklus zusammengefasst. Als proliferierende Zellen bezeichnet man jene Zellen, die sich im Zellzyklus befinden! Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 27 4.7 Zelltod Durch den Zelltod werden alle Lebensprozesse einer Zelle irreversibel beendet. Um die Zellzahl im Gleichgewicht halten zu können oder beschädigte Zellen zu entfernen ist dieser Vorgang sehr wichtig. Man unterscheidet zwischen der Nekrose und der Apoptose. Nekrose ist das Ereignis einer Zellschädigung, wobei der Zellinhalt in die Umgebung abgegeben wird. Diese Art von Zelltod entsteht z.B. durch giftige Substanzen oder unzureichender Sauerstoffzufuhr. Apoptose zählt zum programmierten Zelltod und wird vom Organismus herbeigeführt. Hierbei werden Zellen entfernt, welche für den Organismus nicht mehr nötig sind. Biologie-Skript MedAT 2022 – ÖH Med Wien 28