Zelle#
Die Lebewesen können grob in Einzeller (Protozoen) und Mehrzeller (Metazoen) eingeteilt werden.
Die Zelle ist der Grundbaustein und die kleinste selbstständig lebende Einheit des menschlichen Körpers, er besteht aus ca. 75×10¹² (75 Billionen) Zellen. Eine Zelle ist zwischen 5 und 150 µm (z. B. Eizelle des Menschen — sie ist mit bloßem Auge sichtbar) groß. Zum Vergleich — die Eizelle eines Straußes misst 7 cm im Durchmesser. Jede Zelle hat je nach ihrer Funktion auch unterschiedliche Formen und eine unterschiedliche Lebensdauer.
Fig. 188 Schema einer Zelle#
© Lena Hirtler, ℓ MfG
Alle Zellen erfüllen trotz ihrer verschiedenen Aufgaben drei Grundkriterien:
Stoffwechsel und Energiegewinnung: Beim Stoffwechsel werden Stoffe, die über die Nahrung aufgenommen wurden, in zelleigene Verbindungen für den Zellaufbau umgewandelt und danach als Endprodukte wieder abgegeben (Baustoffwechsel). Über Nährstoffe erhält die Zelle auch die Energie zur Aufrechterhaltung ihrer Lebensfunktionen (Energiestoffwechsel).
Vermehrung und begrenzte Lebensdauer: Die Zellvermehrung ist wichtig für den Ersatz von zugrunde gegangenen Zellen und für die Regeneration von Geweben und Organen nach Verletzungen. Bei der Zellvermehrung entstehen quasi zwei Kopien einer Mutterzelle und ihrer DNA. Wie auch beim normalen Kopieren von Papier nutzt sich die DNA nach der x-ten Kopie ab, es entstehen fehlerhafte Stellen. Daher besitzt jede Zelle eine Art Countdown, der in ihr nach einer bestimmten Anzahl von Zellteilungen die Selbstzerstörung (Apoptose) aktiviert. Aus Zellen, bei denen diese Selbstzerstörung nicht mehr funktioniert, entstehen Tumore.
Reizaufnahme und Reizbeantwortung: Über Rezeptoren stehen die einzelnen Zellen mit ihrer Umgebung in Verbindung. Über sie empfangen die Zellen unterschiedliche Reize und können sie beantworten.
Darüberhinaus unterscheiden sich die unterschiedlichen Zellen aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften, wie z. B. ihrer Bewegung, ihrer spezifischen Stoffaufnahme / -abgabe und der Oberflächendifferenzierung.
Bestandteile der Zelle:
Wasser: Die Zelle besteht zu 70—85 % aus Wasser.
Ionen: = elektrisch geladene Moleküle. Sie sind in der Zelle meist Salze, die im Zellwasser aufgelöst sind. Diese Moleküle können aufgrund ihrer Ladung entlang elektrischer Felder wandern. Sie sorgen dafür, dass die Zelle eine positive elektrische Ladung hat, was z. B. für die Erregungsübertragung von Nerven und Muskeln von großer Bedeutung ist. Der Extrazellulärraum ist demgegenüber negativ geladen.
Proteine: Sie machen 10—20 % der Zellmasse aus. Man kann hier zwischen Strukturproteinen (faserförmig, verantwortlich für die Zellform) und globuläre Proteine (kugelig, für enzymatische Prozesse) unterscheiden.
Lipide: in diese Gruppe gehören die Phospholipide und Cholesterin (insg. 2 % der Zellmasse, bilden die Zellmembran) und die Triglyzeride (Energiespeicher, bilden in Adipozyten = Fettzellen 90 % der Zellmasse).
Kohlenhydrate: schnell verfügbare Energiespeicher, bilden 1 % der Gesamtzellmasse. Die Speicherform der Kohlenhydrate heißt Glykogen.
Allgemeiner Aufbau der Zelle#
Die Zelle besteht aus einem Zellkern (Nucleus), dem Zellleib (Zytoplasma) sowie der Zellmembran (Plasmalemm). Das Zytoplasma setzt sich dann weiters zusammen aus dem Zytosol (Salzlösung = gelöste Ionen mit Proteinen), den Zellorganellen und Zelleinschlüssen (Paraplasma).
Der Zellkern ist — Erythrozyten (rote Blutkörperchen) und Thrombozyten (Blutplättchen) ausgenommen — in jeder Zelle vorhanden. Einige Zellen (Leberzellen (Hepatozyten) 2, knochenabbauende Zellen (Osteoklasten) 5—20, Skelettmuskelzellen (Myozyten) >1000) besitzen sogar mehrere.
Der Zellkern enthält die genetische Erbinformation (DNA: Desoxyribonukleinsäure) der Zelle, aufgeteilt in 23 Chromosomenpaare (46 Chromosomen, 23 von der Mutter, 23 vom Vater). Von hier kommen die “Bauanleitungen” für die Proteinsynthese in Form von einsträngigen Kopien, der RNA (Ribonukleinsäure), die von den Ribosomen dann “übersetzt” werden. Ausgenommen während der Zellteilung liegt die DNA nicht geordnet, d.h. nicht in Chromosomenform, vor. Während dieser Zeit kann man im Zellkern keine Chromosomen differenzieren, sondern zusätzlich einen Nukleolus (dünklerer Bereich) innerhalb des Kerns, der Bereich, in dem gerade aktiv RNA produziert wird.
Die DNA dient als Speicher des genetischen Codes, als Bauplan der Proteinsynthese und der identischen Replikation während der Zellteilung.
Die DNA misst insgesamt über 2 m in ihrer Länge und beinhaltet zwischen 30.000 und 40.000 Gene, wobei über 97 % sogenannter “Junk” — nicht kodierende-DNA — sind. Die DNA ist in einer *Doppelhelix (Doppelwindung) angeordnet. Innerhalb der DNA kann man zwei verschiedene Formen unterscheiden. Das Euchromatin bezeichnet einen DNA-Bereich, der aufgelockert ist und genetisch aktiv ist (= Nukleolus-Bereich). Das Heterochromatin ist nicht entspiralisiert und somit genetisch inaktiv. Wie bereits erwähnt bildet die DNA die Chromosomen nur während der Zellteilung. Ungefähr die Hälfte des Chromatins besteht aus Histionen - sie bilden eine Art Perlenkette, woran die DNA-Teile aufgegliedert sind.
Am Ende der Chromosomenarme befinden sich Telomere (Heterochromatin), die die Lebensdauer der Zelle bestimmen. Bei jeder Mitose verkürzen sich diese Telomere. Sobald die DNA dann für eine fehlerfreie Erstellung der DNA-Kopie zu kurz sind, kommt es zur Apoptose der Zelle.
Der doppelte Chromosomensatz wird als diploid bezeichnet, der halbe als haploid. Diploide Chromosomensätze beinhalten 46 Chromosomenpaare und sind kennzeichnend für die normalen Körperzellen. Haploide Chromosomensätze sind nur in den Geschlechtszellen vorhanden. Diese müssen sich ja während der Fortpflanzung mit einer anderen haploiden Zelle vereinen um so die erste diploide Zelle des Kindes zu bilden.
Die Bausteine der DNA sind die sog. Nukleotide. Sie bestehen aus einer der vier möglichen Basen (Adenin, Thymin, Cytosin oder Guanin), einem Zucker (im Fall der DNA: Desoxyribose) und einem sauren Phosphatrest. Dieser Phosphatrest bildet Phosphatbrücken mit dem darauffolgenden Nukleotid. Mit dem gegenüberliegenden Nukleotid is es mittels Wasserstoffbrücken verbunden.
Um die geläufige Form der spiraligen DNA zu bilden, braucht es das Nukleosom. Das Nukleosom besteht aus dem Histionpartikel und dem daran befestigten DNA-Stück (ca. 180 Basenpaare). Diese Histionpartikel bestehen aus jeweils 8 Histionmolekülen (Oktramer).
Jeweils 3 Basen werden als Triplett (Codon) bezeichnet und definieren eine der insg. 20 von der menschlichen Zelle zur Bildung von Proteinen verwendeten Aminosäuren. Es gibt daher insg. 4³ = 64 Kombinationsmöglichkeiten der Basen. 61 dieser Kombinationen bilden Anweisungen zur Bildung von Proteinen, 3 der Kombinationen zeigen den Beginn bzw. das Ende eines Gens (bzw. eines Proteins) an.
Zur Bildung von Proteinen muss die DNA zunächst kopiert werden und diese Kopie aus dem Zellkern transportiert werden. Diese Kopie ist einsträngig und wird aufgrund des anderen Zuckermoleküls (Ribose) als Riboxynukleinsäure (RNA) bezeichnet. Zusätzlich besitzt die RNA auch noch eine andere Base — Uracil ersetzt das Thymin der DNA. Die RNA wird dann mithilfe der Ribosomen übersetzt.
Folgende Begriffe sind bzgl. der Aminosäuren wichtig:
essentielle Aminosäuren (8, können nicht vom Organismus produziert werden, müssen mit der Nahrung aufgenommen werden): Valin, Leucin, Isoleucin, Phenylalanin, Tryptophan, Lysin, Methionin, Threonin. Hierzu gehört auch das Histidin, welches jedoch nur im Säuglingsalter benötigt wird.
proteinogene Aminosäuren (dienen dem Aufbau von Proteinen durch die Zelle): Glycin, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Methionin, Prolin, Phenylalanin, Tryptophan, Serin, Threonin, Asparagin, Glutamin, Cystein, Selenocystein (bedingt), Tyrosin, Aspartat, Glutamat, Histidin, Lysin, Arginin.
Die Zellmembran (75 nm) besteht aus einer Lipiddoppelschicht (hauptsächlich Phospholipide) und bildet die Grenze des Intrazellularraums gegen den Extrazellularraum. Diese Trennung ist wichtig, da die Flüssigkeiten des Extra- und Intrazellularraums jeweils eine andere Elektrolytkonzentration aufweisen (Übersicht über die Wichtigsten in untenstehender Tabelle). In jedem dieser beiden Räume bleibt das Prinzip der Elektroneutralität gewahrt, d.h. innerhalb des Raumes gibt es ein Gleichgewicht zwischen positiven und negativen Ladungen.
Extrazelluläre Flüssigkeit: insg. 14 Liter, wobei sich hiervon 3/4 im Interstitium (Zwischenzellraum) und 1/4 im Gefäßsystem befinden.
Intrazelluläre Flüssigkeit: innerhalb der Grenze der Zellmembran.
Elektrolyt |
IZR [mosm / L] |
EZR [mosm / L] |
|---|---|---|
Na⁺ |
8—30 |
145 |
K⁺ |
100—155 |
4.4 |
Ca⁺⁺ |
< 0.0001 |
1.25 |
Mg⁺⁺ |
0.8 |
0.7 |
Cl⁻ |
4—30 |
117 |
HCO₃⁻ |
8—15 |
27 |
große Anionen |
100—150 |
-– |
Das Ruhemembranpotential beschreibt den Ladungsunterschied aufgrund der unterschiedlichen Elektrolytkonzentration in Intra- (negativ) und Extrazellularraum (positiv). Der Ladungsunterschied beträgt 60—80 mV. Da die Zellmembran für Ionen undurchlässig ist, braucht es aktive Transportprozesse zur Aufrechterhaltung bzw. Änderung der Zellladung. Der wichtigste Mechanismus ist die Na⁺K⁺-ATPase. Das Ruhemembranpotential ist wichtig für die Entstehung bzw. Fortleitung von Erregungen in Muskelzellen bzw. Nervenzellen. Durch die Veränderung des Membranpotential entsteht dann das sog. Aktionspotential, welches die Kontraktion der Muskelzelle bzw. die erfolgreiche Erregungsfortleitung der Nervenzelle zur Folge hat.
Sie besteht aus Phospholipiden und Cholesterin und bildet ein dreischichtiges Gebilde. Die äußerste Schicht ist hydrophil, die mittlere lipophil und die innerste wiederum hydrophil. Die Zellmembran ist auch nicht als ein starres Gebilde zu verstehen — sie ermöglicht Formänderungen der Zelle für die Migration (Zellwanderung), die Mitose (Zellteilung) und die Kontraktion (Zellverkürzung).
In der Zellmembran sind verschiedene Proteine eingebaut, die z. B. als Kanäle (Kanalproteine), Rezeptoren (Transmembranproteine) oder als Trägermoleküle (Carrier) funktionieren. Die Rezeptoren können intra- und extrazellulär lokalisiert sein, sie aktivieren bei Andocken des richtigen Stoffes eine Enzymkaskade. Membranen gibt es jedoch nicht nur als Zellmembran. Auch die Zellorganellen und der Zellkern sind von einer Membran, die ähnlich aufgebaut ist wie die Zellmembran, umgeben.
Außen befinden sich an der Zellmembran komplexe Kohlenhydrate. Sie bilden die sogenannte Glykokalix der Zelle. Sie ist spezifisch für jede Zelle, kennzeichnet sie und bildet somit das Erkennungsmerkmal der Zelle.
Für die Form der Zelle verantwortlich ist das Zytoskelett. Es besteht aus drei Hauptkomponenten:
Aktinfilamente: überall in der Zelle zu finden, konzentriert direkt unter der Zellmembran.
Mikrotubuli: am Zentrosom befestigt, spielen bei der Mitose eine wichtige Rolle bei der Ausbildung der mitotischen Spindel. Sie sind auch verantwortlich bei der Ausbildung von Zilien (Zellfortsätze, z. B. Flimmerhärchen).
Intermediärfilamente: bilden an der Innenseite der Kernhülle die Kernlamina als schützenden Käfig der DNA.
Für den Stofftransport innerhalb der Zelle sind Motorproteine verantwortlich. Sie alle haben gemeinsam, dass während des Transportes Energie (ATP) verbraucht wird. Wichtige Motorproteine sind folgende:
Myosin: wichtig für Kraft der Muskelkontraktion (funktioniert dann in Kombination mit Aktin).
Kinesin: transportieren entlang der Mikrotubuli, wichtig für die mitotische Spindelbildung.
Dynein: gehören zu den schnellsten Motorproteinen, sie sind unter anderem für den Zilienschlag (Bewegung von Haarzellen) und für den Vesikeltransport (Stofftransport in kleinen Membranbläschen) verantwortlich.
Die Zellorganellen sind verantwortlich für die Ausübung der Stoffwechselfunktionen:
endoplasmatisches Retikulum (ER): verantwortlich für den intrazellulären Stofftransport, es gibt zwei Arten — das rauhe ER (mit Ribosomen, dient der Proteinproduktion) und das glatte ER (ohne Ribosomen, dient der Fett- und Hormonproduktion), ist röhren- bzw. bläschenförmig, dient der Kompartimentierung, dient auch als Membrandepot für Transportprozesse der Zelle.
Ribosomen: “Übersetzen” die Information von RNA für die Proteinproduktion, in Kombination mit dem ER dienen die Proteine dem Export, ohne ER dienen die Proteine für zelleigene Bedürfnisse.
Golgi-Apparat: Aufnahme und Abgabe von Syntheseprodukten, Hohlraumsystem, Membranen des Golgi-Apparates dienen der Erneuerung der Zellmembran, fehlen bei Erythrozyten.
Lysosomen: “Verdauungsorgane” der Zelle, besitzen Enzyme, sind der „Recyclingort“ der Zelle. Bei geschädigten Zellen führen die Enzyme der Lysosome zur Gewebsautolyse.
Zentriolen: wichtig für die Zellteilung
Mitochondrien: “Kraftwerke” der Zelle, verantwortlich für die Energieproduktion, bestehen aus einer inneren und äußeren Membran, fehlen bei Erythrozyten. Das produzierte Adenosintriphosphat (APT) wird in der Zelle benötigt u.a. für den Stofftransport durch die Zellmembran, für die Synthese von Proteinen usw. und für die Kontraktion von Muskeln. Die Mitochondrien besitzen eine eigene DNA, die jedoch nur mütterlicherseits vererbt wird.
Zellteilung#
Es gibt zwei Formen der Zellteilung — die Mitose und die Meiose.
Mitose (Zellteilung): Hier entstehen nach Verdopplung der DNA aus einer Mutterzelle zwei Tochterzellen mit vollständigem Chromosomensatz. Zwischen der DNA-Verdopplung und dem Beginn der Mitose findet eine DNA-Reparatur (Proofreading und Repair) statt. Vier Phasen (Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase) werden durchlaufen. Die Mitose dauert durchschnittlich 60 Minuten. Die Interphase ist der Begriff für das Stadium zwischen zwei Mitosen, in welcher wie bereits erwähnt die DNA-Verdopplung stattfindet. Folgende Zellen teilen sich nicht mehr: Nervenzellen, Herzmuskelzellen und Skelettmuskelzellen. Zusätzlich muss man hier auch die Erythrozyten (roten Blutkörperchen) und Thrombozyten (Blutplättchen) erwähnen — da sie ja keinen Zellkern besitzen, können sie sich ebenfalls nicht mehr teilen.
Meiose (Reifeteilung, Reduktionsteilung): Nach zwei aufeinander folgenden Zellteilungen, wobei nur während der ersten die DNA wie bei der Mitose verdoppelt wird, entstehen aus einer Mutterzelle vier Tochterzellen mit halbem Chromosomensatz. Zwischen den beiden Reifeteilungen findet die Interkinase (im Gegensatz zur Interphase der Mitose) statt, eine Phase in der die DNA NICHT verdoppelt wird. Diese Teilungsart findet nur bei männlichen und weiblichen Geschlechtszellen (= Keimzellen) statt, damit nach der Befruchtung - d. h. der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle — nur Zellen mit normalem Chromosomensatz (23 Paare) entstehen. Ziel der Meiose ist die Durchmischung (Cross-Over) der genetischen Erbinformation.
Zelluntergang#
Es gibt zwei Möglichkeiten, wie Zellen zugrunde gehen können:
Apoptose: programmierter Zelltod
Nekrose: Tod der Zelle bei Zellschädigung mit Entzündung als Folge
Stofftransport#
Um Nährstoffe und Stoffwechselprodukte in die Zelle hinein und wieder heraus zu transportieren gibt es spezifische Transportprozesse.
passive Transportprozesse: verbrauchen keine Energie.
Diffusion: Ausgleich eines Konzentrations- oder Ladungsunterschieds.
freie Diffusion.
erleichtere Diffusion - über Kanäle oder Carrier.
Osmose: Konzentrationsausgleich, unabhängig von Größe oder Ladung Durchfluss eines Lösungsmittels und darin gelöster Stoffe über eine halbdurchlässige / semipermeable Membran.
Filtration: Wasser und gelöste Teilchen werden über eine hydrostatische Druckdifferenz durch die Zellmembran bzw. Poren gepresst.
aktive Transportprozesse: verbrauchen aktiv Energie (ATP).
aktiver Transport: Transport-ATPase, kann gegen Konzentrationsgradienten transportieren.
Symport — Transport in die gleiche Richtung.
Antiport — Transport in entgegengesetzte Richtung.
Endo- und Exozytose: Transport über Vesikel in die Zelle hinein (Endozytose, Pinozytose = kleine Partikel über Vesikel vs. Phagozytose = große Patrikel über Vesikel) und aus der Zelle heraus (Exozytose).