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Zelle (Biologie)Die Zelle (lateinisch cellula = kleine Kammer, Zelle) ist die strukturell sichtbare Einheit aller Lebewesen. Es gibt Einzeller, die aus einer einzigen 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. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
GrundlagenJede 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:
Im Laufe der Evolution haben sich zwei verschiedene Arten von Lebewesen gebildet, die sich durch die Struktur ihrer Zellen stark unterscheiden: zum einen die Prokaryoten, die aus einfach gebauten Zellen ohne Zellkern bestehen, und zum anderen die Eukaryoten, die aus Zellen bestehen, die wesentlich komplizierter strukturiert sind und einen Zellkern besitzen. 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. Die prokaryotische Zellesiehe: Prokaryot
Prokaryotische Zellen besitzen keinen echten Zellkern (altgriechisch eu = echt, karyon = Kern) und weisen eine einfachere innere Organisation im Vergleich zu den eukaryotischen Zellen auf. Man bezeichnet sie auch als Procyten oder Protocyten. Zu den Prokaryoten gehören die Bakterien und die Archaeen. Sie treten meist als einzellige Organismen auf. Prokaryotische Zellen kann man im Allgemeinen durch folgende Merkmale von den eukaryotischen Zellen unterscheiden:
Prokaryoten zeichnen sich durch ein weites Spektrum physiologischer und ökologischer Typen aus. Einige sind 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, symbiotisch oder saprovorisch, einige sind pathogen (krankheitserregend). Häufig enthalten sie Plasmide (extrachromosomale, in sich geschlossene oder lineare DNA-Elemente). Weiterhin besitzen Prokaryoten nur beschränkt die Fähigkeit, sich zu differenzieren, zum Beispiel bei der Sporenbildung von Bacillus subtilis. Die eukaryotische Zellesiehe: Eukaryot
Eukaryotische Zellen werden auch als Euzyten bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zu prokaryotischen Zellen ist die Existenz eines Zellkerns mit einer Kernhülle um die in Chromosomen organisierte DNA. Die Kernhülle besteht aus zwei Membranlagen mit Zwischenraum und ist typischerweise 1 bis 5 µm dick. Eukaryotische Zellen sind wesentlich differenzierter. Ihre Vielzahl resultiert aus den sehr verschiedenen Funktionen, die sie zu erfüllen haben. Die Länge liegt zwischen 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 der eukaryotischen Zellen beträgt etwa 2,5 ng. Unterschiede von pflanzlichen, tierischen und Pilz-ZellenTierische 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.
Besonderheiten pflanzlicher Zellen
Struktur der ZelleJede 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 aufrechterhalten, welcher ein chemisches Potential nach sich zieht. Das durch die Zellmembran umschlossene Medium wird Zytoplasma 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: Zellmembran - die schützende Hüllesiehe 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. Zellskelett - Das Gerüst der Zellesiehe Hauptartikel: Zytoskelett Das Zellskelett ist eine wichtige, komplexe und trotz des eventuell irreführenden Namens eine höchst dynamische Struktur in der Zelle. Es besteht aus Proteinen, die insgesamt drei große Systeme bildenden Mikrofilamente (Aktinfilamente), die Mikrotubuli und die Intermediärfilamente. In seiner Gesamtheit ist es verantwortlich für die Elastizität und die mechanische Stabilität der Zelle und ihrer äußeren Form, für aktive Bewegungen der Zelle als Ganzes, sowie für Bewegungen und Transporte innerhalb der Zelle. Es spielt zudem wichtige Rollen in der Zellteilung und der Rezeption von äußeren Reizen und deren Weitervermittlung in die Zelle hinein. Die Existenz der drei Zytoskelettelemente als Grundausstattung einer jeden Zelle wurde erst in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts unter Einsatz der Elektronenmikroskopie und neuartigen Fixier- (Glutaraldehydfixierung) und Detektionsverfahren (Aktindekoration durch Myosinkopfgruppen) erkannt und geht auf bahnbrechende Arbeiten von Sabatini und Ishikawa zurueck (Sabatini et al., 1963 J. Cell Biol.; Ishikawa et al., 1968 J. Cell Biol.). Das genetische Materialsiehe 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. Die Organellensiehe 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. Zellkern - Das Steuerrad der Zellesiehe 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. Ribosomen - Die Proteinfabriksiehe 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. Mitochondrien - Das Kraftwerksiehe 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 PlastidenPlastiden 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 Photosynthese-Endprodukt, zu speichern. Das endoplasmatische Retikulum und der Golgi-Apparatsiehe 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 - die Verdauungsorganellen der Zellesiehe 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. Zentriolensiehe 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 Entgiftungsorgansiehe 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.
Die Entdeckungsgeschichte der ZelleSiehe: Geschichte der Zellbiologie Literatur
Siehe auchKategorien: Genetik | Zellbiologie | Histologie |
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