Zelle (Biologie)

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Bacillus subtilis.jpg]] Die Zelle (lateinisch cellula = kleine Kammer, Zelle) ist die strukturelle und funktionelle 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.

Grundlagen

Jede Zelle stellt ein in sich geschlossenes, 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 gemeinsame 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 die Extremitäten, 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 treten immer als Einzeller auf, dass heißt jede Zelle für sich ist selbständig lebens- und funktionsfähig. Eukaryoten können sowohl als Einzeller als auch als Mehrzeller auftreten. Bei den Mehrzellern bilden Zellen sogenannte Zweckverbände. Sie teilen sich Funktionen und sind oft einzeln nicht mehr lebensfähig.

Struktur der Zelle

[[Bild:zelle_(biologie).png|thumb|550px|Organisation einer typischen eukaryotischen Tierzelle.
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 aufrecht erhalten. Das durch die Zellmembran umschlossene Medium wird Cytoplasma genannt. Alle Zellen besitzen Desoxyribonukleinsäure (DNA), in der die Erbinformationen gespeichert sind, Ribonukleinsäure (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:

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 möglich machen.

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.

Das genetische Material

siehe Hauptartikel: DNA und RNA

In der Zelle existieren zwei Arten von gentischen Material: die Desoxyribonukleinsäuren (DNA) und die Ribonukleinsäuren (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 enzymatische 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.

Die Organellen

siehe Hauptartikel: Organell

Bei mehrzelligen Organismen sind die Zellen meistens auf bestimmte Funktionen spezialisiert, dass heißt sie teilen die Gesamtfunktion auf mehrere Zelltypen auf. Oft bilden viele Zellen mit der gleichen Funktion und unterstützende Zellen einen Komplex, den man Organ nennt. Beim Menschen ist zum Beispiel die Lunge für den Gasaustausch von Kohlendioxid und Sauerstoff verantwortlich. In den Zellen selbst gibt es in gewissem Maß autonome Strukturen, die bestimmte Aufgaben übernommen haben. Diese Strukturen nennt man Organellen, "kleine Organe". Solche Organellen sind in jeder Zelle zu finden. Jedoch gibt es in Eukaryoten manche, die es in Prokaryoten nicht gibt. Auch der Aufbau von Pflanzen- und Tier-Zellen ist zum Teil unterschiedlich. Im folgenden werden wichtige Organellen aufgeführt.

Zellkern - Das Steuerrad der Zelle

siehe Hauptartikel: Zellkern

Der Zellkern bildet die Steuerzentrale der eukaryotischen Zelle. Durch eine doppelte Membran wird der Kern von Cytoplasma abgegrenzt. Diese Membran wird vom endoplasmatischen Retikulum gebildet. Die sogenannte Kernmembran wird von winzigen Kernporen durchbrochen, wodurch ein Austausch von Molekülen zwischen Kerninnerem, der Kernmatrix, und Cytoplasma möglich ist. Die Kernporen sind gerade so groß, dass RNA hindurchpasst, jedoch keine DNA. Der Zellkern enthält die chromosomale DNA, die dort bei Zellteilung verdoppelt wird. Im Zellkern findet die Synthese der RNA statt, die danach aus dem Zellkern durch die Kernporen hinaustransportiert wird. Durch Poren in der Kernhülle steht das Kerninnere mit dem Cytoplasma in Verbindung. Mikroskopisch ist im Kern eine Verdichtung der DNA 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.

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.

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.

Die Plastiden

Plastiden existieren nur in Eukaryoten, die Photosynthese 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.

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.

Lysosomen und Peroxisomen - der Verdauungsschnaps 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.

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).

Die Vakuole - Speicher- und Entgiftungsorgan

siehe Hauptartikel: Vakuole

Vakuolen sind große von Membranen umschlossene Reaktionsräume vorwiegend in Pflanzen, aber zum Beispiel auch im Pantoffeltierchen (Euglena). 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.

Die prokaryotische Zelle

siehe Hauptartikel: Prokaryot

Bakterienzelle schematisch.png 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 klomplex 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, wie zum Beispiel bei der Sporenbildung von Bacillus subtilis

Die eukaryotische Zelle

Eukaryotische Zellen werden auch als Euzyten bezeichnet. Der klassische Unterschied zu Prokaryoten ist das Vorhandensein einer Kernmembran die den Kern umgibt. Sie ist mit typisch 1 bis 5 µm Dicke auch deutlich dicker als die der prokaryotischen Zellen, den Protozyten. Bei den eukaryotischen Zellen sind die Unterschiede wesentlich gravierender. Ihre Vielzahl resultiert aus den verschiedensten Funktionen die sie zu erfüllen hat. Sie schwankt von einigen Mikrometer Länge bis zu mehreren Zentimetern bei den Muskelzellen. Eine Sonderform nehmen die Neuronen ein. Sie reichen dabei von Rückenmark bis in die peripheren Extremitäten. Die mittlere Zellmasse beträgt etwa 2,5 ng.

Unterscheidung von pflanzlicher und tierischer Zellen

Tierische Zellen und pflanzliche Zellen gehören beide zu den eukaryotischen Zellen, aber es gibt einige Unterschiede in ihrer Struktur. Im Folgenden werden die wichtigsten Unterschiede tabellarisch aufgelistet.

pflanzliche Zellen	tierische Zellen
sind von einer Zellwand umschlossen	besitzen keine Zellwand
enthalten Chloroplasten und andere Plastiden	besitzen keine Chloroplasten oder andere Plastiden
besitzen Vakuolen	besitzen nur in Ausnahmefällen 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
die einzelnen Zellen sind teilweise über Plasmodesmen miteinander verbunden	die einzelnen Zellen sind über Desmosomen und verschiedene andere Strukturen ("Celljunctions") miteinander verbunden
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 Cellulose. 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 Chlorophyll (ein grüner Farbstoff) und betreiben die Photosynthese. 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 Farbstoffen, Giftstoffen, Duftstoffen und anderen gefüllt sein können.
Der Tonoplast ist die semipermeable Membran, die die Vakuole gegen das Plasma abgrenzt.

Funktionen der Zelle

Herkunft der Zelle

Die Entdeckungsgeschichte der Zelle

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

Weblinks

Zellaufbau und Zellfunktion - Graphik zu allen Organellen

Siehe auch

Proliferationsgrad, Glia, Perfusionskultur, Zellwachstum, Mitochondrium

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