Zelle (Biologie)
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Die Zelle (lateinisch cellula = kleine Kammer, Zelle) ist die strukturell sichtbare Einheit aller Lebewesen. Es gibt Einzeller, die aus einer Zelle bestehen, und Mehrzeller, bei denen mehrere Zellen zu einer funktionellen Einheit verbunden sind. Der menschliche Körper beispielsweise besteht aus rund 220 verschiedenen Zell- und Gewebetypen. Dabei haben die Zellen ihre Selbständigkeit durch Arbeitsteilung (Spezialisierung) aufgegeben und sind einzeln oft nicht mehr vollständig lebensfähig.
[Bearbeiten] Grundlagen
Jede Zelle stellt ein strukturell abgrenzbares, eigenständiges und selbsterhaltendes System dar. Sie ist in der Lage, Nährstoffe aufzunehmen, diese in Energie umzuwandeln, verschiedene Funktionen zu übernehmen und vor allem sich zu reproduzieren. Die Zelle enthält die Informationen für all diese Funktionen bzw. Aktivitäten. Alle Zellen haben an sich grundlegende Fähigkeiten, die als Merkmale des Lebens bezeichnet werden:
- Vermehrung durch Zellteilung (Mitose oder Meiose)
- Stoff- und Energiewechsel (Nahrungsaufnahme, Aufbau von Zellstrukturen oder Energieumsatz)
- Reaktion auf Reize (externe oder interne Reize, auf abiotische Faktoren wie Temperatur oder Nahrungsangebot, auf biotische Faktoren wie Fressfeinde und viele andere)
- Möglichkeit der Bewegung (bei Bakterien zum Beispiel durch die Geißel, bei Tieren durch Muskeln, auch in der Zelle bewegen sich Proteine und Vesikel)
Im Laufe der Evolution haben sich verschiedene Arten von Zellen gebildet: zum einen die Prokaryoten, die einfach gebaut sind und keinen Zellkern aufweisen, und zum anderen die Eukaryoten, welche sich vom Aufbau her stark von den Prokaryoten unterscheiden. Prokaryoten und Eukaryoten können sowohl als Einzeller als auch als Mehrzeller auftreten. Bei den Mehrzellern bilden Zellen sogenannte Zweckverbände. Meistens teilen sie sich Funktionen und sind oft einzeln nicht mehr lebensfähig. Durch die Spezialisierung in Vielzellern sind die oben beschriebenen Fähigkeiten eingeschränkt.
[Bearbeiten] Struktur der Zelle
1. Nukleolus. 2. Zellkern (Nukleus). 3. Ribosomen. 4. Vesikel. 5. Raues Endoplasmatisches Reticulum (ER). 6. Golgi-Apparat. 7. Mikrotubuli. 8. Glattes ER. 9. Mitochondrien. 10. Lysosom. 11. Zytoplasma. 12. Mikrobodies. 13. Zentriolen
Jede Zelle, ob prokaryotisch oder eukaryotisch, hat eine Membran, die die Zelle von der Umgebung abgrenzt. Durch diese Membran wird kontrolliert, was in die Zelle aufgenommen und was hinaustransportiert wird. Auf jeder Seite der sogenannten Zellmembran befinden sich Ionen, elektrostatisch geladene Atome oder Moleküle, unterschiedlicher Konzentrationen, die durch die Zellmembran getrennt gehalten werden. Dadurch wird ein Konzentrationsunterschied oder auch elektrochemisches Potential aufrechterhalten. Das durch die Zellmembran umschlossene Medium wird Cytoplasma genannt. Alle Zellen besitzen Desoxyribonukleinsäure (DNS, engl.: DNA), in der die Erbinformationen gespeichert sind, Ribonukleinsäure (RNS, engl.: RNA), die zum Aufbau von Proteinen wie den Enzymen notwendig ist, und Proteine, die die meisten Reaktionen in der Zelle katalysieren oder Strukturen in der Zelle bilden. Im folgenden sind die wichtigsten Zellkomponenten aufgelistet und kurz beschrieben:
[Bearbeiten] Zellmembran - die schützende Hülle
siehe Hauptartikel: Zellmembran
Jede Zelle ist von einer Zellmembran oder auch Plasmamembran umschlossen. Diese Membran trennt die Zelle von der Umgebung ab und schützt sie auch. Sie besteht hauptsächlich aus einer Doppellipidschicht und verschiedenen Proteinen, die unter anderem den Austausch von Ionen oder Molekülen zwischen der Zelle und ihrer Umgebung möglich machen.
[Bearbeiten] Zellskelett - das Gerüst der Zelle
siehe Hauptartikel: Cytoskelett
Das Zellskelett ist ein wichtiges, komplexes und auch dynamisches Zellelement. Es besteht aus Proteinen, den Mikrofilamenten. Es ist verantwortlich für die mechanische Stabilisierung der Zelle und ihrer äußeren Form, für aktive Bewegungen der Zelle als Ganzes, sowie für Bewegungen und Transporte innerhalb der Zelle.
[Bearbeiten] Das genetische Material
siehe Hauptartikel: DNA und RNA
In der Zelle existieren zwei Arten von genetischem Material: die Desoxyribonukleinsäuren (DNS; engl.DNA) und die Ribonukleinsäuren (RNS; engl.RNA). Für die Speicherung der Informationen über lange Zeit wird von den Organismen DNA genutzt. Die RNA wird häufig zum Transport der Information (z.B. mRNA) und für Enzym-ähnliche Reaktionen (z.B. rRNA) verwendet.
Bei Prokaryoten liegt die DNA in einfacher, in sich geschlossener („circulärer“) Form vor. Diese Struktur nennt man Bakterienchromosom, obwohl sie sich von Chromosomen der eukaryotischen Zellen beträchtlich unterscheidet. In eukaryotischen Zellen ist die DNA an verschiedenen Orten verteilt: im Zellkern und in den Mitochondrien und Plastiden, Zellorganellen mit doppelter Membran. In den Mitochondrien und den Plastiden liegt die DNA wie in Prokaryoten „circulär“ vor. Die DNA im Zellkern ist linear in sogenannten Chromosomen organisiert. Die Anzahl der Chromosomen variiert von Art zu Art. Die menschliche Zelle besitzt 46 Chromosomen.
[Bearbeiten] Die Organellen
siehe Hauptartikel: Organell
Bei mehrzelligen Organismen sind die Zellen meistens zu Geweben zusammengefasst, die auf bestimmte Funktionen spezialisiert sind. Oft bilden solche Gewebe einen Komplex, den man Organ nennt. Beim Menschen ist zum Beispiel die Lunge für den Gasaustausch von Kohlendioxid und Sauerstoff verantwortlich. Ähnliche funktionsbezogene Strukturen gibt es in kleinstem Maßstab auch innerhalb der Zelle. Diese Strukturen nennt man Organellen, "kleine Organe". Solche Organellen sind in jeder Zelle zu finden. Jedoch gibt es in Eukaryoten manche, die den Prokaryoten fehlen. Auch der Aufbau von pflanzlichen und tierischen Zellen unterscheidet sich teilweise durch Anzahl und Funktion mancher Organellen. Im folgenden werden wichtige Organellen aufgeführt.
[Bearbeiten] Zellkern - Das Steuerrad der Zelle
siehe Hauptartikel: Zellkern
Der Zellkern bildet die Steuerzentrale der eukaryotischen Zelle: er enthält die chromosomale DNA und somit die Mehrzahl der Gene. Durch die Kernhülle, eine doppelte Membran, wird der Kern von Cytoplasma abgegrenzt. Sie wird von Kernporen durchbrochen, wodurch ein Austausch von Molekülen zwischen der Substanz des Kerninneren, dem sogenannten Karyoplasma, und dem Cytoplasma möglich ist. Die äußere Membran der Kernhülle steht mit dem endoplasmatischen Retikulum in Verbindung. Im Zellkern findet die Synthese der RNA statt. Jene RNA-Arten, die für die Proteinsynthese benötigt werden, werden aus dem Zellkern durch die Kernporen ins Cytoplasma transportiert. Lichtmikroskopisch ist im Kern eine Struktur zu erkennen, die man Kernkörperchen oder Nukleolus nennt. Die DNA in diesem Bereich des Kerns enthält die Baupläne für die ribosomale RNA, also für die katalytische RNA der Ribosomen.
[Bearbeiten] Ribosomen - Die Proteinfabrik
siehe Hauptartikel: Ribosom
Die Ribosomen sind aus RNA und Protein bestehende Komplexe in Pro- und Eukaryoten. Sie sind für die Synthese von Proteinen aus Aminosäuren verantwortlich. Die mRNA dient dafür als Information für die Reihenfolge der Aminosäuren in den Proteinen. Die Proteinbiosynthese ist sehr wichtig für alle Zellen, weshalb die Ribosomen in vielfacher Zahl in den Zellen vorliegen, zum Teil hunderte bis tausende von Ribosomen pro Zelle.
[Bearbeiten] Die Mitochondrien - Die Kraftwerke der Zelle
siehe Hauptartikel: Mitochondrium
Die Mitochondrien gehören zu den selbstvermehrenden Organellen und sind nur in Eukaryoten in unterschiedlicher Anzahl zu finden. Sie enthalten ein eigenes Genom, das viele aber nicht alle der für die Mitochondrien wichtigen Gene enthält. Die anderen Gene befinden sich auf den Chromosomen im Zellkern. Deshalb sind die Mitochondrien semiautonom. Mitochondrien werden als "Energiekraftwerke" der Zelle bezeichnet. In ihnen findet die Oxidation organischer Stoffe mit molekularem Sauerstoff statt, wobei Energie freigesetzt und in Form von chemischer Energie (als ATP) gespeichert wird.
[Bearbeiten] Die Plastiden
Plastiden existieren nur in Eukaryoten, die Fotosynthese betreiben, also Pflanzen und Algen. Wie die Mitochondrien besitzen die Plastiden ihr eigenes Genom und sind wie die Mitochondrien selbstvermehrend, also auch semiautonom. Es gibt verschiedene Plastiden, die alle von dem sogenannten "Proplastiden" abstammen. Sie sind in der Lage, sich in eine andere Plastidenform umzuwandeln. Der Chloroplast ist der am häufigsten rezitierte. Er enthält viele Farbstoffe wie das Chlorophyll, welches unter anderem in die Photosynthese involviert ist. Ein anderer Plastid ist zum Beispiel der Amyloplast, der in der Lage ist, Stärke, ein Fotosynthese-Endprodukt, zu speichern.
[Bearbeiten] Das endoplasmatische Retikulum und der Golgi-Apparat
siehe Hauptartikel: endoplasmatisches Retikulum und Golgi-Apparat
Diese beiden Systeme bestehen aus von Membranen begrenzten Hohlräumen und sind in den meisten Eukaryoten zu finden. Sie sind funktionell eng miteinander verknüpft. Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist das schnelle Transportsystem für chemische Stoffe, weiterhin wird in der Mitose die neue Kernmembran vom ER abgeschnürt. Außerdem ist es für die Translation, Proteinfaltung, posttranslationale Modifikationen von Proteinen und Proteintransport von Bedeutung. Diese Proteine werden anschließend vom Golgi-Apparat "verteilt". Im Golgi-Apparat werden die Proteine modifiziert, sortiert und an den Bestimmungsort transportiert. Defekte Proteine werden dabei aussortiert und abgebaut.
[Bearbeiten] Lysosomen und Peroxisomen - die Verdauungsorganellen der Zelle
siehe Hauptartikel: Lysosom und Peroxisom
Lysosomen sind winzige, von einer Membran umschlossene Zellorganellen in Eukaryoten. Sie enthalten hydrolytische Enzyme und Phosphatasen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, mittels der in ihnen enthaltenen Enzyme aufgenommene Fremdstoffe zu verdauen. Bei Pflanzen nehmen Zellsaftvakuolen die Aufgaben der Lysosomen wahr. Peroxisomen (Glyoxisomen im Speichergewebe von Pflanzensamen), auch Microbodies genannt, sind evolutionär sehr alte Zellorganellen in eukaryotischen Zellen. Sie fungieren als Entgiftungsapparate. In den Peroxisomen befinden sich ca. 60 Monooxygenasen und Oxidasen genannte Enzyme, die den oxidativen Abbau von Fettsäuren, Alkohol und anderen schädlichen Verbindungen katalysieren.
[Bearbeiten] Zentriolen
siehe Hauptartikel: Zentriolen
Zentriolen sind zylinderförmige Strukturen im Ausmaß von etwa 170 x 500 Nanometern. Sie sind an der Bildung des MTOC (Mikrotubuli-organizing centers) beteiligt, das während der Mitose den Spindelapparat zur Trennung der Chromosomen bildet, aber auch während der Interphase zur Organisation und physikalischen Stabilisierung der Zelle beiträgt. Zentriolen kommen in den meisten tierischen Zellen und den Zellen niederer Pflanzen vor, nicht jedoch bei den höheren Pflanzen (Angiospermen).
[Bearbeiten] Die Vakuole - Speicher- und Entgiftungsorgan
siehe Hauptartikel: Vakuole
Vakuolen sind große von Membranen umschlossene Reaktionsräume vorwiegend in Pflanzen, aber zum Beispiel auch im Pantoffeltierchen (Paramecium). Sie erfüllen die vielfältigsten Aufgaben, unter anderem Aufrechterhaltung des Zelldrucks (Turgor), Lager für toxische Stoffe, Farbgebung der Zelle, Verdauung von Makromolekülen und im Falle der kontraktilen Vakuole der Wasserausscheidung.
[Bearbeiten] Die prokaryotische Zelle
siehe Hauptartikel: Prokaryot
Auf der Erde existieren zwei Grundtypen von Zellen, die prokaryotischen und die eukaryotischen Zellen. Prokaryoten besitzen keinen echten Zellkern (altgriechisch eu = echt, karyon = Kern) und weisen eine einfachere innere Organisation im Gegensatz zu den Eukaryoten auf. Zu den Prokaryoten gehören die Bakterien und die Archaeen. Sie treten meist als einzellige Organismen auf. Prokaryoten kann man im Allgemeinen durch folgende Punkte von den Eukaryoten unterscheiden:
- morphologisch nicht sehr komplex, d.h. sie bilden seltener Kompartimente
- die DNA liegt frei im Cytoplasma als Nucleoid vor
- meist nur ein einzelnes DNA-Molekül, welches nicht durch Histone (spezielle Proteine) stabilisiert wird, also kein echtes Chromosom darstellt (und deshalb als „Bakterienchromosom“ bezeichnet wird)
- oft ist dieses Chromosom in sich geschlossen
- die Zellhüllen sind häufig komplex aufgebaut, teilweise sogar mit zwei Membranen
- immer kleinere Ribosomen (70-S) als in Eukaryoten (80-S)
Prokaryotische Zellen zeichnen sich durch hohe physiologische Flexibilität aus. Sie sind teilweise auch unter extremen Bedingungen lebensfähig (Temperaturbereich bis über 100 °C; oxisches oder anoxisches Milieu; saures Milieu (pH-Wert 1-4); hohe hydrostatische Drücke (1000 bar)). Viele leben parasitisch, symbiontisch oder saprovorisch, einige sind pathogen (krankheitserregend). Häufig enthalten sie Plasmide (extrachromosomale DNA-Elemente, in sich geschlossen oder linear).
Weiterhin besitzen Prokaryoten nur beschränkt die Fähigkeit, sich zu differenzieren, zum Beispiel bei der Sporenbildung von Bacillus subtilis.
[Bearbeiten] Die eukaryotische Zelle
Eukaryotische Zellen werden auch als Euzyten bezeichnet. Der klassische Unterschied zu Prokaryoten ist die Existenz einer Kernmembran, die den Kern umgibt. Sie ist mit typischerweise 1 bis 5 µm auch deutlich dicker als die der prokaryotischen Zellen, den Protozyten. Eukaryotischen Zellen sind wesentlich differenzierter. Ihre Vielzahl resultiert aus den verschiedensten Funktionen, die sie zu erfüllen haben. Die Länge schwankt von einigen Mikrometern bis zu mehreren Zentimetern bei den Muskelzellen. Eine Sonderform nehmen die Neuronen ein. Sie reichen vom Rückenmark bis in die peripheren Extremitäten. Die mittlere Zellmasse beträgt etwa 2,5 ng.
[Bearbeiten] Unterscheidung von pflanzlichen, tierischen und Pilz- Zellen
Tierische Zellen, pflanzliche Zellen und Pilz-Zellen gehören zu den eukaryotischen Zellen, aber es gibt einige Unterschiede in ihrer Struktur. Im Folgenden werden die wichtigsten Unterschiede tabellarisch aufgelistet. Eine Sonderstellung nehmen die Zellen von Pilzen ein.
| pflanzliche Zellen | tierische Zellen | Pilz-Zellen |
|---|---|---|
| sind von einer Zellwand aus Zellulose umschlossen | besitzen keine Zellwand | sind von einer Zellwand umschlossen |
| enthalten Chloroplasten oder andere Plastiden | besitzen keine Chloroplasten oder andere Plastiden | besitzen keine Chloroplasten oder andere Plastiden |
| besitzen Vakuolen | besitzen nur in Ausnahmefällen Vakuolen | besitzen Vakuolen |
| in pflanzlichen Geweben stehen die Zellwände benachbarter Zellen durch eine Mittellamelle miteinander in Kontakt (Tüpfel) | in tierischen Geweben stehen die Zellmembranen benachbarter Zellen über eine Extrazelluläre Matrix in Kontakt | |
| teilen sich durch Zellmembraneinschnürung und das Ausbilden einer neuen Zellwand zwischen den Tochterzellen | teilen sich durch Abschnürung zwischen den Tochterzellen mittels Zellmembraneinschnürung | |
| sind teilweise über Plasmodesmen miteinander verbunden, die bei der Zellteilung als offene Verbindungen erhalten geblieben sind. | sind über Desmosomen und verschiedene andere Strukturen ("Celljunctions") miteinander verbunden, die nach der vollständigen Zellteilung als Neubildungen entstanden sind | |
| noch keine Lysosomen gefunden | besitzen Lysosomen, die in vielen Fällen die Aufgaben der lytischen Vakuolen übernehmen |
Besonderheiten pflanzlicher Zellen
- Die Zellwand ist so beschaffen, dass sie der Zelle und damit dem gesamten Pflanzenkörper eine mehr oder weniger feste Form gibt. Sie ist durchlässig für Wasser, gelöste Nährstoffe und Gase. Sie besteht hauptsächlich aus Zellulose. Bei Zellen mit dicken Zellwänden, durch die dennoch Stoffe transportiert werden, gibt es in den Zellwänden Tüpfel. Das sind Öffnungen in der Zellwand, durch die benachbarte Zellen - nur durch eine dünne Membran getrennt - untereinander in Kontakt stehen und durch die der Austausch von Stoffen erleichtert wird.
- Die Chloroplasten enthalten ein komplexes System zur Nutzung der Lichtenergie für die Photosynthese, das unter anderem Chlorophyll (ein grüner Farbstoff) enthält. Dabei wird die Energie von Licht eingefangen (absorbiert), in chemische Energie in Form von Traubenzucker (Glucose) umgewandelt und in Form von Stärke gespeichert.
- Die Vakuolen sind Räume im Cytoplasma, die mit Zellsaft gefüllt sind. In diesem können Farbstoffe, Giftstoffe, Duftstoffe und anderes enthalten sein.
- Der Tonoplast ist die semipermeable Membran, welche die Vakuole gegen das Plasma abgrenzt.
[Bearbeiten] Die Entdeckungsgeschichte der Zelle
Siehe: Geschichte der Zellbiologie
[Bearbeiten] Literatur
- Klaus Werner Wolf, Konrad Joachim Böhm: Organisation von Mikrotubuli in der Zelle. Biologie in unserer Zeit 27(2), S. 87 – 95 (1997), ISSN 0045-205X
- May-Britt Becker, Armin Zülch, Peter Gruss: Von der undifferenzierten Zelle zum komplexen Organismus: Konzepte der Ontogenie. Biologie in unserer Zeit 31(2), S. 88 - 97 (2001), ISSN 0045-205X
- Friedrich Marks: Datenverarbeitung durch Proteinnetzwerke: Das Gehirn der Zelle. Biologie in unserer Zeit 34(3), S. 159 - 168 (2004), ISSN 0045-205X
[Bearbeiten] Weblinks
- Zellaufbau und Zellfunktion - Grafik zu allen Organellen
- Auf einen Blick: Die Zelle - Sehr gute graphische Darstellung (PDF Format)
- Cells Alive! - preisgekrönte englischsprachige Seite u. a. mit elektronenmikroskopischen Fotos, Illustrationen, Filmen und interaktiven Animationen
[Bearbeiten] Siehe auch
 |
Commons: Zellbiologie – Bilder, Videos und/oder Audiodateien |
