Die Zelle ist die Grundeinheit eines lebenden Organismus. In mehrzelligen Organismen (Organismen mit mehr als einer Zelle) wird eine Ansammlung von Zellen, die zusammenarbeiten, um ähnliche Funktionen zu erfüllen, als Gewebe bezeichnet. Auf der nächsthöheren Organisationsebene bilden verschiedene Gewebe, die koordinierte Funktionen ausüben, Organe. Schließlich bilden Organe, die zusammenarbeiten, um allgemeine Prozesse auszuführen, Körpersysteme.
Zelltypen
Mehrzellige Organismen enthalten eine große Anzahl hochspezialisierter Zellen. Pflanzen haben Wurzelzellen, Blattzellen und Stammzellen. Der Mensch hat Hautzellen, Nervenzellen und Geschlechtszellen. Jede Art von Zelle ist so aufgebaut, dass sie eine hochspezialisierte Funktion erfüllt. Die Untersuchung der Struktur einer Zelle verrät oft viel über ihre Funktion im Organismus. So haben beispielsweise bestimmte Zellen im Dünndarm Mikrovilli (Härchen) entwickelt, die die Nahrungsaufnahme fördern. Nervenzellen oder Neuronen sind eine weitere Art von spezialisierten Zellen, deren Form die Funktion widerspiegelt. Nervenzellen bestehen aus einem Zellkörper und langen Fortsätzen, den Axonen, die Nervenimpulse weiterleiten. Dendriten sind kürzere Fortsätze, die Nervenimpulse empfangen.
Sinneszellen sind Zellen, die Informationen aus der äußeren Umgebung wahrnehmen und an das Gehirn weiterleiten. Sinneszellen haben oft ungewöhnliche Formen und Strukturen, die zu ihrer Funktion beitragen. Die Stäbchenzellen in der Netzhaut des Auges zum Beispiel sehen aus wie keine andere Zelle im menschlichen Körper. Diese Zellen haben die Form eines Stäbchens und verfügen über einen lichtempfindlichen Bereich, der zahlreiche Scheibchen enthält. In jedes Scheibchen ist ein spezielles lichtempfindliches Pigment eingebettet, das Licht einfängt. Wenn das Pigment Licht aus der Umgebung empfängt, werden die Nervenzellen im Auge angeregt, einen Nervenimpuls an das Gehirn zu senden. Auf diese Weise ist der Mensch in der Lage, Licht zu erkennen.
Zellen können aber auch als einzellige Organismen existieren. Zu den Einzellern gehören zum Beispiel die sogenannten Protisten. Beispiele für Protisten sind der mikroskopisch kleine Organismus namens Paramecium und die einzellige Alge namens Chlamydomonas .
Prokaryoten und Eukaryoten. Es gibt zwei Arten von Zellen in Lebewesen: Prokaryoten und Eukaryoten. Das Wort Prokaryote bedeutet wörtlich „vor dem Zellkern“. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei Prokaryoten um Zellen, die keinen eigenen Zellkern haben. Die meisten prokaryotischen Organismen sind einzellig, wie z. B. Bakterien und Algen.
Der Begriff Eukaryote bedeutet „echter Zellkern“. Eukaryoten haben einen eigenen Zellkern und eigene Organellen. Eine Organelle ist eine kleine Struktur, die in der eukaryontischen Zelle eine bestimmte Funktion ausübt. Diese Organellen werden durch Membranen zusammengehalten. Prokaryonten haben nicht nur keinen Zellkern, sondern auch keine eigenen Organellen.
Aufbau und Funktion von Zellen
Die Grundstruktur aller Zellen, ob Prokaryoten oder Eukaryoten, ist gleich. Alle Zellen haben eine äußere Hülle, die Plasmamembran. Die Plasmamembran hält die Zelle zusammen und ermöglicht den Durchgang von Substanzen in die Zelle hinein und aus ihr heraus. Bis auf wenige Ausnahmen sind die Plasmamembranen bei Prokaryonten und Eukaryonten identisch.
Das Innere beider Arten von Zellen wird als Zytoplasma bezeichnet. Innerhalb des Zytoplasmas von Eukaryoten sind die Zellorganellen eingebettet. Wie bereits erwähnt, enthält das Zytoplasma von Prokaryonten keine Organellen. Schließlich enthalten beide Zelltypen kleine Strukturen, die Ribosomen genannt werden. Ribosomen sind die Orte in den Zellen, an denen Proteine produziert werden. (Proteine sind große Moleküle, die für die Struktur und Funktion aller lebenden Zellen unerlässlich sind). Ribosomen sind nicht durch Membranen begrenzt und werden daher nicht als Organellen betrachtet.
Words to Know
Zellwand: Eine harte äußere Hülle, die über der Plasmamembran von Bakterien und Pflanzenzellen liegt.
Flimmerhärchen: Kurze Fortsätze, die die Oberfläche einiger Zellen bedecken und für die Bewegung sorgen.
Zytoplasma: Die halbflüssige Substanz einer Zelle, die Organellen enthält und von der Zellmembran umschlossen ist.
Zytoskelett: Das Netzwerk von Filamenten, die für die Struktur und Bewegung einer Zelle sorgen.
DNA (Desoxyribonukleinsäure): Das genetische Material im Zellkern, das Informationen für die Entwicklung eines Organismus enthält.
Endoplasmatisches Retikulum: Das Netzwerk von Membranen, das sich durch die Zelle zieht und an der Proteinsynthese und dem Lipidstoffwechsel beteiligt ist.
Enzym: Eines von zahlreichen komplexen Proteinen, die von lebenden Zellen produziert werden und spezifische biochemische Reaktionen auslösen.
Eukaryote: Eine Zelle, die einen eigenen Zellkern und Organellen enthält.
Flagellum: Eine peitschenartige Struktur, die in einigen Zellen für Bewegung sorgt.
Golgikörper: Organelle, die Moleküle sortiert, modifiziert und verpackt.
Membran: Eine dünne, flexible Schicht pflanzlichen oder tierischen Gewebes, die Teile eines Organismus bedeckt, auskleidet, trennt, zusammenhält oder verbindet.
Mitochondrium: Das Kraftwerk der Zelle, das die für die Umwandlung von Nahrung in Energie notwendigen Enzyme enthält.
Kernhülle: Die Doppelmembran, die den Zellkern umgibt.
Kernpore: Winzige Öffnungen, die die Kernhülle durchziehen.
Nukleolus: Der dunklere Bereich innerhalb des Nukleolus, in dem die ribosomalen Untereinheiten hergestellt werden.
Nukleus: Die Schaltzentrale einer Zelle, die die DNA enthält.
Organelle: Ein membranumschlossenes zelluläres „Organ“, das in einer eukaryotischen Zelle eine bestimmte Funktion ausübt.
Pili: Kurze Fortsätze, die Bakterien bei der Anheftung an Gewebe helfen.
Plasmamembran: Die Membran einer Zelle.
Plastid: Ein vesikelartiges Organell, das in Pflanzenzellen vorkommt.
Prokaryote: Eine Zelle ohne einen echten Zellkern.
Protein: Große Moleküle, die für die Struktur und das Funktionieren aller lebenden Zellen wichtig sind.
Protist: Ein einzelliger eukaryotischer Organismus.
Ribosom: Ein Protein, das aus zwei Untereinheiten besteht und bei der Proteinsynthese funktioniert.
Vakuole: Ein raumfüllendes Organell der Pflanzenzellen.
Vesikel: Eine membrangebundene Kugel, die eine Vielzahl von Substanzen in Zellen enthält.
Die Struktur von Prokaryoten. Ein Beispiel für einen typischen Prokaryoten ist die Bakterienzelle. Bakterienzellen können wie Stäbchen, Kugeln oder Korkenzieher geformt sein. Wie alle Zellen sind auch Prokaryonten von einer Plasmamembran umgeben. Diese Plasmamembran ist von einer Zellwand umgeben. Bei einigen Bakterien ist die Zellwand zusätzlich von einem geleeartigen Material, der so genannten Kapsel, umhüllt. Viele krankheitsverursachende Bakterien haben Kapseln. Die Kapsel bietet eine zusätzliche Schutzschicht für die Bakterien. Pathogene Bakterien mit Kapseln neigen dazu, viel schwerere Krankheiten zu verursachen als solche ohne Kapseln.
Im Zytoplasma von Prokaryoten befindet sich ein Nukleoid, ein Bereich, in dem das genetische Material der Zelle gespeichert ist. (Gene bestimmen die Merkmale, die von einer Generation an die nächste weitergegeben werden.) Das Nukleoid ist kein echter Zellkern, da es nicht von einer Membran umgeben ist. Außerdem befinden sich im Zytoplasma zahlreiche Ribosomen.
An der Zellwand einiger Bakterien sind Geißeln befestigt, peitschenartige Strukturen, die es den Bakterien ermöglichen, sich fortzubewegen. Einige Bakterien haben auch Pili, kurze, fingerartige Fortsätze, mit denen sich die Bakterien an Gewebe anheften können. Bakterien können keine Krankheiten verursachen, wenn sie sich nicht an Gewebe anheften können. Bakterien, die eine Lungenentzündung verursachen, heften sich beispielsweise an das Gewebe der Lunge. Bakterielle Pili erleichtern diese Anheftung an das Gewebe erheblich. Daher sind Bakterien mit Pili, wie auch solche mit Kapseln, oft tödlicher als solche ohne.
Die Struktur der Eukaryoten. Zu den Organellen der Eukaryonten gehören das Membransystem, das aus der Plasmamembran, dem endoplasmatischen Retikulum, dem Golgi-Körper und den Vesikeln besteht, der Zellkern, das Zytoskelett und die Mitochondrien. Darüber hinaus verfügen Pflanzenzellen über spezielle Organellen, die in tierischen Zellen nicht vorkommen. Diese Organellen sind die Chloroplasten, die Zellwand und die Vakuolen. (Siehe die Zeichnung einer Pflanzenzelle auf Seite 435.)
Plasmamembran. Die Plasmamembran der Zelle wird oft als selektiv durchlässig bezeichnet. Dieser Begriff bedeutet, dass einige Stoffe die Membran passieren können, andere jedoch nicht. Zum Beispiel können die Produkte, die beim Abbau von Nahrungsmitteln entstehen, in die Zelle eindringen, und die Abfallprodukte, die in der Zelle entstehen, können die Zelle wieder verlassen. Seit den 1960er Jahren haben die Wissenschaftler viel über die Funktionsweise der Plasmamembran gelernt. Es scheint, dass einige Stoffe passieren können
)
durch winzige Löcher in der Membran aus eigenem Antrieb. Andere werden durch Moleküle, die sich auf der Oberfläche und in der Membran selbst befinden, dabei unterstützt, die Membran zu passieren. Das Studium der Struktur und Funktion der Plasmamembran ist eines der faszinierendsten in der gesamten Zellbiologie.
Endoplasmatisches Retikulum. Das endoplasmatische Retikulum (ER) besteht aus abgeflachten Membranblättern, -säcken und -röhren, die die gesamte Fläche des Zytoplasmas einer eukaryontischen Zelle bedecken. Das ER sieht ein wenig aus wie ein sehr komplexes U-Bahn- oder Autobahnsystem. Diese Analogie ist nicht schlecht, denn eine der Hauptfunktionen des ER ist der Transport von Materialien durch die Zelle.
Man kann zwei Arten von ER in einer Zelle unterscheiden. Die eine Art wird als raues ER und die andere als glattes ER bezeichnet. Der Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass das raue ER an seiner Außenfläche Ribosomen enthält, was ihm ein raues oder körniges Aussehen verleiht. Das raue ER ist an den Prozessen der Proteinsynthese (Produktion) und des Transports beteiligt. Proteine, die von den Ribosomen am rauen ER hergestellt werden, werden modifiziert, „verpackt“ und dann zur Verwendung in verschiedene Teile der Zelle transportiert. Einige werden zur Plasmamembran geschickt, wo sie aus der Zelle heraus und in andere Teile des Körpers des Organismus zur Verwendung transportiert werden.
Das glatte ER hat viele verschiedene Funktionen, darunter die Herstellung von Lipiden (fettähnlichen Stoffen), den Transport von Proteinen und die Übertragung von Nervennachrichten.
Der Golgi-Körper. Der Golgi-Körper ist nach seinem Entdecker, dem italienischen Wissenschaftler Camillo Golgi (1843-1926) aus dem 19. Jahrhundert, benannt. Er ist eines der am ungewöhnlichsten geformten Organellen. Der Golgi-Körper sieht ein wenig aus wie ein Stapel Pfannkuchen und besteht aus einem Haufen membranumschlossener, abgeflachter Säckchen. Um den Golgi-Körper herum befinden sich zahlreiche kleine membranumschlossene Vesikel (Partikel). Die Aufgabe des Golgi-Körpers und seiner Vesikel ist es, große Moleküle zu sortieren, zu modifizieren und zu verpacken, die von der Zelle ausgeschieden oder innerhalb der Zelle für verschiedene Funktionen verwendet werden.
Der Golgi-Körper kann mit der Versand- und Empfangsabteilung eines großen Unternehmens verglichen werden. Jeder Golgi-Körper in einer Zelle hat eine cis-Seite, die mit der Empfangsabteilung der Abteilung vergleichbar ist. Hier empfängt der Golgi-Körper die im endoplasmatischen Retikulum hergestellten Moleküle. Die trans-Seite des Golgi-Körpers kann mit der Versandabteilung der Abteilung verglichen werden. Es ist der Ort, von dem aus modifizierte und verpackte Moleküle an ihren Bestimmungsort transportiert werden.
Vesikel. Vesikel sind kleine, kugelförmige Teilchen, die verschiedene Arten von Molekülen enthalten. Einige Vesikel dienen, wie oben erwähnt, dem Transport von Molekülen vom endoplasmatischen Retikulum zum Golgi-Körper und vom Golgi-Körper zu verschiedenen Zielen. Spezielle Arten von Vesikeln erfüllen auch andere Funktionen. Lysosomen sind Vesikel, die Enzyme enthalten, die an der Zellverdauung beteiligt sind. Einige Protisten zum Beispiel verschlingen andere Zellen zur Nahrungsaufnahme. In einem Prozess, der Phagozytose (ausgesprochen FA-go-sy-to-sis) genannt wird, umgibt der Protist ein Nahrungspartikel und verschlingt es in einem Bläschen. Dieses nahrungshaltige Vesikel wird im Zytoplasma des Protisten transportiert, bis es mit einem Lysosom in Kontakt kommt. Das Nahrungsvesikel und das Lysosom verschmelzen, und die Enzyme im Lysosom werden in das Nahrungsvesikel freigesetzt. Die Enzyme zerlegen die Nahrung in kleinere Teile, die der Protist verwerten kann.
Der Zellkern. Der Zellkern ist die Schaltzentrale der Zelle. Unter dem Mikroskop sieht der Kern wie ein dunkler Fleck aus, in dessen Mitte sich ein dunklerer Bereich, der Nukleolus, befindet. Der Nukleolus ist der Ort, an dem Teile der Ribosomen hergestellt werden. Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umgeben, die als Kernhülle bezeichnet wird. Die Kernhülle ist mit winzigen Öffnungen, den sogenannten Kernporen, versehen.
Der Zellkern steuert alle zellulären Aktivitäten, indem er die Synthese von Proteinen kontrolliert. Proteine sind wichtige chemische Verbindungen, die fast alles steuern, was die Zellen tun. Außerdem bilden sie das Material, aus dem Zellen und Zellteile selbst hergestellt werden.
Die Anweisungen für die Herstellung von Proteinen sind im Zellkern in einem schraubenförmigen Molekül namens Desoxyribonukleinsäure (DNS) gespeichert. DNA-Moleküle unterscheiden sich voneinander aufgrund bestimmter chemischer Einheiten, der so genannten Stickstoffbasen, die sie enthalten. Die Art und Weise, wie die Stickstoffbasen in einem bestimmten DNA-Molekül angeordnet sind, trägt eine bestimmte genetische „Botschaft“. Eine Anordnung von Stickstoffbasen könnte die Anweisung „Stelle Protein A her“ tragen, eine andere Anordnung von Basen könnte die Botschaft „Stelle Protein B her“ tragen, eine dritte Anordnung könnte die Botschaft „Stelle Protein C her“ kodieren, und so weiter.
Der erste Schritt der Proteinsynthese beginnt im Zellkern. Im Zellkern wird die DNA in ein Molekül namens Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) übersetzt. Die mRNA verlässt dann den Zellkern durch die Kernporen. Im Zytoplasma angekommen, heftet sich die mRNA an die Ribosomen und leitet die Proteinsynthese ein. Die an den Ribosomen hergestellten Proteine können innerhalb derselben Zelle verwendet oder durch die Plasmamembran aus der Zelle heraus transportiert und von anderen Zellen verwendet werden.
Das Zytoskelett. Das Zytoskelett ist das skelettartige Gerüst der Zelle. Anstelle von Knochen besteht das Zellskelett jedoch aus drei Arten von Proteinfilamenten, die Netzwerke bilden. Diese Netze geben der Zelle ihre Form und sorgen für die zelluläre Bewegung. Die drei Arten von Zytoskelettfasern sind Mikrotubuli, Aktinfilamente und Intermediärfilamente.
Mikrotubuli sind sehr dünne, lange Röhren, die ein Netz von „Bahnen“ bilden, auf denen sich verschiedene Organellen innerhalb der Zelle bewegen. Mikrotubuli bilden auch kleine, paarige Strukturen, die in tierischen Zellen Zentriolen genannt werden. Diese Strukturen werden nicht als Organellen betrachtet, da sie nicht durch Membranen begrenzt sind. Zentriolen sind am Prozess der Zellteilung (Reproduktion) beteiligt.
Einige eukaryotische Zellen bewegen sich mit Hilfe von Mikrotubuli, die an der Außenseite der Plasmamembran befestigt sind. Diese Mikrotubuli werden als Geißeln und Zilien bezeichnet. Zellen mit Flimmerhärchen erfüllen auch im menschlichen Körper wichtige Funktionen. Die Atemwege von Menschen und anderen Tieren sind mit solchen Zellen ausgekleidet, die Ablagerungen und Bakterien nach oben, aus der Lunge heraus und in den Rachenraum befördern. Dort werden die Ablagerungen entweder abgehustet oder in den Verdauungstrakt geschluckt, wo Verdauungsenzyme schädliche Bakterien zerstören.
Aktinfilamente sind vor allem in Muskelzellen zu finden, wo sie für die Kontraktion des Muskelgewebes sorgen. Intermediärfilamente sind relativ stark und werden häufig zur Verankerung von Organellen im Zytoplasma verwendet.
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Mitochondrien. Die Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen. Jedes wurstförmige Mitochondrium ist von einer äußeren Membran umhüllt. Die innere Membran eines Mitochondriums ist in Abschnitte gefaltet, die Cristae (was „Kästchen“ bedeutet) genannt werden. Die Matrix oder der innere Raum, der durch die Cristae gebildet wird, enthält die Enzyme, die für die vielen chemischen Reaktionen notwendig sind, die schließlich Nahrungsmoleküle in Energie umwandeln.
Pflanzenorganellen. Pflanzenzellen haben mehrere Organellen, die in tierischen Zellen nicht vorkommen. Dazu gehören Plastiden, Vakuolen und eine Zellwand.
Plastiden sind bläschenartige Organellen, die in Pflanzen eine Vielzahl von Funktionen erfüllen. Zum Beispiel speichern Amyloplasten Stärke und Chromoplasten Pigmentmoleküle, die einigen Pflanzen ihre leuchtenden orangen und gelben Farben verleihen. Chloroplasten sind Plastiden, die die Photosynthese durchführen, ein Prozess, bei dem Wasser und Kohlendioxid in Zucker umgewandelt werden.
Vakuolen sind große Bläschen, die von einer einzigen Membran umgeben sind. In vielen Pflanzenzellen nehmen sie etwa 90 Prozent des Zellraumes ein. Sie erfüllen eine Vielzahl von Funktionen in der Zelle, einschließlich der Speicherung von organischen Verbindungen, Abfallprodukten, Pigmenten und giftigen Verbindungen sowie Verdauungsfunktionen.
Alle Pflanzenzellen haben eine Zellwand, die die Plasmamembran umgibt. Die Zellwand der Pflanzen besteht aus einer zähen Kohlenhydratsubstanz namens Zellulose, die in einem Medium oder Netzwerk anderer Kohlenhydrate liegt. (Ein Kohlenhydrat ist eine Verbindung aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, die in Pflanzen vorkommt und von Menschen und anderen Tieren als Nahrung genutzt wird.) Die Zellwand bietet eine zusätzliche Schutzschicht zwischen dem Inhalt der Zelle und der äußeren Umgebung. Die Knackigkeit eines Apfels zum Beispiel wird auf das Vorhandensein dieser Zellwände zurückgeführt.