Aufbau einer Zelle
Grundlagen der Zellbiologie
10. Juni 2018
Die Zelle ist die kleinste biologische Einheit und somit Grundbaustein des Lebens. Zellen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Komplexität im Aufbau in prokaryotisch und eukaryotisch. Für ihre Funktion sind zahlreiche Zellbestandteile, die sogenannten Zellkompartimente und Organellen, essentiell.
"Omnis cellula e cellula"
Dieser Grundsatz wurde 1858 von Rudolf Virchow in seinem Aufsatz über die "Cellularpathologie" gefasst und besagt, dass eine Zelle immer nur aus einer Zelle hervorgehen kann. Die Zelle ist somit die kleinste Einheit der Struktur, der Vermehrung und der Funktion des Lebendigen.
Die Zelle ist die kleinste lebensfähige Einheit: an ihr lassen sich alle Grundfunktionen des Lebendigen nachweisen.
Jede einzelne Zelle ist in der Lage alle Grundfunktionen des Lebendigen zu erfüllen. Dazu gehören:
die Abgrenzung der Zelle von der Umwelt durch eine Plasmamembran, ein eigener Stoffwechsel, die Fähigkeit zur aktiven Bewegung, Reizbarkeit gegenüber Umwelteinflüssen, sowie die Steuerung der eigenen Vermehrung mit doppelsträngiger DNA als Träger der genetischen Information.
Zusätzlich werden Eigenschaften wie eine begrenzte Lebensdauer (begrenzt durch Zelltod oder Zellteilung) und der Abbau oder die Reparatur schadhafter Zellbestandteile genannt.
Zellen können in drei Domänen des Lebens unterteilt werden: Bakterien, Archaeen und Eukaryoten. Die Domänen Bakterien und Archaeen werden gemeinsam als Prokaryoten bezeichnet und unterscheiden sich von den Eukaryoten, durch die Abwesenheit eines Zellkerns. Weitere Unterschiede zwischen den beiden Zelltypen ist das Vorhandensein von Organellen, eines Endomembransystems und eines Cytoskeletts bei eukaryotischen Zellen; diese Strukturen fehlen allesamt bei Prokaryoten.
Lebewesen werden abhängig von ihrer Verwandtschaft in die drei Domänen Bakterien, Archaeen und Eukaryoten unterteilt.
Die Einteilung geschieht anhand der Struktur der ribosomalen Ribonukleinsäure (rRNA), die wahrscheinlich bereits in den ersten Organismen auf der Erde und damit in den Vorfahren aller heutigen Lebewesen vorkam. Bakterien und Archaeen weisen Unterschiede in der Zusammensetzung ihrer Zellmembran und in den biochemischen Prozessen ihres Stoffwechsels auf. Eukaryoten unterscheiden sich von den beiden anderen Domänen durch das Vorhandensein eines Zellkerns.
Aufgrund dessen werden Bakterien und Archaeen auch als Prokaryoten, also Zellen ohne Zellkern, zusammengefasst und den Eukaryoten gegenübergestellt.
Mit der Erforschung der Abstammung von Lebewesen befasst sich die Phylogenetik. Um die Verwandtschaftsgrade verschiedner Arten zu bestimmen, werden DNA-Sequenzen verwendet, die mit Hilfe von Algorithmen ausgewertet werden. Aus den Ergebnissen kann ein phylogenetischer Baum erstellt werden, also ein Stammbaum, der die evolutionären Beziehungen der analysierten Lebewesen widerspiegelt.
LUCA (Last Universal Common Ancestor) ist die Bezeichnung für den letzten Urvorfahr aller heutigen zellulären Lebewesen. Aus ihm sind die Lebewesen aller drei Domänen entstanden. Hypothetisch sollte LUCA bereits Eigenschaften haben, die allen Zellen gemeinsam sind: Zellstruktur, DNA, mRNA, tRNA und Translation mittels Ribosomen.
Aufbau einer Zelle
Prokaryoten und Eukaryoten unterscheiden sich hinsichtlich ihrer zellulären Komplexität. Ausschlaggebendes Unterscheidungsmerkmal ist der eukaryotische Zellkern, der in prokaryotischen Zellen fehlt. Beide Zelltypen sind in der Lage mehrzellige Lebewesen zu bilden, bei denen Zellen Zweckverbände eingehen. Auf diese Weise teilen sich die Zellen verschiedene Funktionen auf, das heißt, sie spezialisieren sich. Dies kann dazu führen, dass die einzelne spezialisierte Zelle außerhalb des Zweckverbandes nicht mehr lebensfähig ist. Des Weiteren können manche Grundfunktionen des Lebendigen bei spezialisierten Zellen verloren gegangen sein.
Prokaryotische Zelle
Prokaryotischen Zellen fehlt ein echter Zellkern und sie sind oft einfacher organisiert als eukaryotische Zellen. Sie werden auch als Protocyt bezeichnet, Lebewesen mit Protocyten werden Prokaryoten genannt. Die meisten Prokaryoten sind einzellige Lebewesen, wie Bakterien und Archaeen. Prokaryoten besitzen nur beschränkt die Fähigkeit sich zu differenzieren.
Eukaryotische Zelle
Eukaryotische Zellen besitzen einen Zellkern, in dem die DNA in Form von Chromosomen organisiert ist. Sie werden auch Eucyten genannt, Lebewesen mit Eucyten werden als Eukaryoten bezeichnet. Zu den Eukaryoten gehören unter anderem Tiere, Pilze und Pflanzen. Aufgrund der Vielzelligkeit dieser Lebewesen können Eucyten stark differenziert sein.
Eukaryotische Zellen sind komplexer aufgebaut als Protocyten. Neben dem Zellkern besitzen Eucyten mehrere Kompartimente, also durch eine Membran abgegrenzte Reaktionsräume innerhalb der Zelle, wie den Golgi-Apparat, das glatte und das raue endoplasmatische Retikulum (ER), Peroxisomen und Lysosomen.
Hinzu kommen Organelle. Dabei handelt es sich um Reaktionsräume, die von mindestens zwei Membranen umgeben sind und die ihre eigene DNA enthalten und auch vervielfältigen. In tierischen Zellen sind dies Mitochondrien, bei pflanzlichen Zellen Mitochondrien und Plastiden (meist Chloroplasten).
Zellen von Eukaryoten sind zwischen einem und 30 Mikrometer groß, die größte menschliche Zelle ist die Eizelle mit einem Durchmesser von 0,15 Millimetern (= 150 Mikrometer). Nervenzellen (Neuronen) können in manchen Tierarten mehrere Meter lang werden, da sie vom Rückenmark bis in die Gliedmaßen reichen.
Besonderheiten von Pflanzen- und Pilz-Zellen
Pflanzen- und Pilz-Zellen gehören wie die tierischen Zellen zu den Eucyten, unterscheiden sich untereinander jedoch in bestimmten Merkmalen.
Neben der Plasmamembran, die die Zelle umgibt und von der Umwelt abgrenzt, besitzen Pflanzen eine Zellwand aus Cellulose, die der Zelle eine feste Form gibt. Pilze besitzen ebenfalls eine Zellwand, die aus dem Mehrfachzucker Chitin besteht. Pflanzen- und Pilz-Zellen besitzen eine Vakuole, die als Stoffspeicher und zur Stabilität dient. Bei Tieren beinhalten nur Fettzellen (Adipocyten) eine Vakuole, in der Fettsäuren angereichert sind.
Besonderes Merkmal pflanzlicher Zellen ist das Vorhandensein von Plastiden, meist Chloroplasten. Während Tier- und Pilz-Zellen ihre Energie hauptsächlich über Mitochondrien gewinnen, die diese über mehrere Stoffwechselprozesse und unter Verwendung von Sauerstoff produzieren, besitzen Pflanzen durch das Vorhandensein von Chloroplasten die Fähigkeit auch Lichtenergie zu nutzen (Photosynthese).
Zellkompartimente und Organellen
Cytoplasmamembran
Die vier bis fünf Nanometer dicke Plasmamembran grenzt das Zellinnere von der Umwelt ab und erfüllt zusätzlich eine Schutzfunktion. Die Flüssigkeit innerhalb der Zelle wird Cytoplasma genannt und beinhaltet Ionen (geladene Atome oder Moleküle), Proteine, DNA und RNA. Die Plasmamembran besteht aus einer Doppellipidschicht, also einer doppelten Schicht von Fettsäuren. Zusätzlich befinden sich Proteine in der Membran (Membranproteine), die es der Zelle ermöglichen Ionen und Moleküle mit der Umgebung auszutauschen.
Zellkern (Nucleus) und Nucleolus
Der Zellkern kommt nur in Eucyten vor und ist die Steuerzentrale der Zelle. Er beinhaltet das in Chromosomen organisierte Erbgut (Genom). Die Abgrenzung des Zellkerns vom Cytoplasma geschieht durch die 35 Nanometer dicke Kernhülle, eine doppelte Membran mit Zwischenraum, deren äußere Membran sich mit dem endoplasmatischen Retikulum verbindet. Die Substanz im Kerninneren wird Karyoplasma oder Nucleoplasma genannt und steht über Kernporen mit dem Cytoplasma in Verbindung. Im Zellkern findet die Transkription statt, also die Umschreibung von DNA in Boten-RNA (messenger RNA, mRNA). Die mRNA kann mittels der Kernporen den Zellkern verlassen, sodass im Cytoplasma die Translation, also die Umschreibung von mRNA in Aminosäuren, stattfinden kann.
Innerhalb des Zellkerns befindet sich das drei bis fünf Nanometer große Kernkörperchen oder Nucleolus. Hier befindet sich die DNA, die für die ribosomale RNA (rRNA) kodiert.
Mitochondrion
Mitochondrien kommen nur in Eukaryoten vor und sind die Kraftwerke der Zelle. Sie beinhalten die Proteine der Atmungskette, in der durch die Oxidation organischer Stoffe mittels Sauerstoff die Energiewährung der Zelle Adenosintriphosphat (ATP) hergestellt wird. Mitochondrien können vereinzelt (fragmentiert) oder als Netzwerk (tubulär) vorliegen und vermehren sich unabhängig von der Zelle. In Zellen, die viel Energie benötigen, z. B. Muskelzellen, können einige tausend Mitochondrien vorhanden sein. Sie sind von zwei Membranen umgeben, der äußeren und inneren mitochondriellen Membran, die den Intermembranraum einschließen. Die innere Membran umschließt die mitochondrielle Matrix, in der ein eigenes Genom vorliegt, die mitochondrielle DNA (mtDNA). Menschliche mtDNA enthält 13 Gene, die alle für Proteine der Atmungskette kodieren. Von den über tausend mitochondriellen Proteinen werden daher 99% in der genomischen DNA kodiert, im Cytosol synthetisiert und anschließend in das Mitochondrion importiert. Um die Oberfläche zu vergrößern, formt die innere Membran Einstülpungen, so genannte Cristae.
Neben der Herstellung von ATP besitzt das Mitochondrion essentielle Aufgaben für die Zelle, wie beispielsweise die Synthese von Eisen-Schwefel-Clustern oder die Steuerung des programmierten Zelltods (Apoptose).
Chloroplast
Chloroplasten kommen nur in Photosynthese-betreibenden Eukaryoten vor, also Algen und Pflanzen. Chloroplasten sind (wie Mitochondrien) von zwei Membranen umgeben, die den Intermembranraum einschließen. Die innere Membran umschließt das Stroma, in der ein eigenes Genom vorliegt. Im Stroma befinden sich Thylakoide, kleinere Reaktionsräume, die durch eine Abschnürung von der Innenmembran entstehen. Die Thylakoidmembran umschließt das Thylakoidlumen, übereinandergelagerte Stapel von Thylakoiden nennt man Granum. In der Thylakoidmembran sind viele Pigmente eingelagert, insbesondere der grüne Farbstoff Chlorophyll, welches bestimmte Wellenlängen des Sonnenlichtes absorbiert. Aus der aufgenommenen Energie wird ATP hergestellt.
Endoplasmatisches Retikulum
Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein weit verzweigtes Röhrensystem, welches direkt in die Kernhülle übergeht. Das raue ER ist an der Membranoberfläche mit Ribosomen besetzt, die translatierte Aminosäuren direkt in das ER-Lumen schleusen. Im ER werden die Proteine gefaltet, auf ihre Qualität überprüft und post-translationale Modifikationen durchgeführt. Außerdem ist das ER für den Transport von Proteinen innerhalb der Zelle wichtig. Das glatte ER ist nicht mit Ribosomen besetzt und ist vor allem für die Bildung von Fettsäuren wichtig. Zusätzlich dient es unter anderem als Calcium-Speicher der Zelle.
Golgi-Apparat
Der Golgi-Apparat ist ein Zellkompartiment, das sich aus mehreren membranumschlossenen Hohlräumen, sogenannten Zisternen oder Dictyosomen, zusammensetzt. Die Seite des Golgi-Apparats, die dem ER zugewandt ist, empfängt von diesem Vesikel, das sind membranumschlossene kleine Bläschen, die für den Transport von Molekülen innerhalb der Zelle zuständig sind. Diese Seite wird cis -Golgi-Netzwerk genannt, während die eher der Plasmamembran zugewandte Seite als trans -Golgi-Netzwerk bezeichnet wird. Der Golgi-Apparat ist für die Verteilung von Proteinen innerhalb der Zelle zuständig, indem Proteine, die vom ER hierher transportiert worden sind, mit Zuckerresten oder Phosphatgruppen modifiziert und anschließend weiter transportiert werden.
Lysosomen und Peroxisomen
Lysosomen sind kleine Zellkompartimente mit saurem pH-Wert, die Proteine enthalten, die in der Lage sind Moleküle abzubauen (Proteasen, Nukleasen, Lipasen, Phosphatasen). Der saure pH-Wert ermöglicht den Abbauenzymen optimale Bedingungen und stellt zugleich sicher, dass bei einem Aufbruch der Lysosomen die Enzyme im neutralen pH des Cytosols inaktiv sind. Der Verdau von Molekülen wird in Pflanzenzellen von der Vakuole übernommen.
Peroxisomen setzen in mehreren Stoffwechselprozessen molekularen Sauerstoff und Sauerstoffradikale um und entgiften somit die Zelle. In Peroxisomen wird unter anderem Wasserstoffperoxid enzymatisch umgesetzt, eine Reaktion, die im Cytoplasma zu gefährlich für die Zelle wäre.
Centrosom
Das Centrosom setzt sich aus zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Centriolen und einer Proteinmatrix, der pericentriolären Matrix, zusammen. Centriolen dienen als Mikrotubuli-organisierendes Zentrum (MTOC). Mikrotubuli sind röhrenförmige Filamente aus Proteinen, die Teil des Zellskeletts sind. Sie haben sowohl eine zellstabilisierende Funktion als auch eine Funktion beim Transport innerhalb der Zelle. In Centriolen sind die Mikrotubuli charakteristisch in Form von neun Mikrotubuli-Tripletts angeordnet. Das Centrosom ist Ausgangsort des Spindelapparats, der während der Zellteilung für die Trennung der Chromosomen sorgt. In höheren pflanzlichen Zellen fehlen Centrosomen.
Deine Meinung:
Wenn Du inhaltliche Anmerkungen oder Kommentare zu diesem Artikel hast, dann schreib mir einfach eine E-Mail. Ich freue mich sehr über jeden Kommentar und jede Anregung.
Weitere Artikel:
Lesen ist nicht so dein Ding?
Alle blaubiologie Artikel gibt es auch als Podcast auf Spotify, Apple Podcast und vielen weiteren Plattformen.