Grundlagen der Zellbiologie: Theorie und Struktur

Postulate der Zelltheorie

• Alle Körper sind aus einer oder mehreren Zellen gebildet.
• Die Elementarzelle ist die anatomische, physiologische und funktionelle Grundeinheit.
• Jeder Zellteilung geht eine andere bereits vorhandene Zelle voraus.
• Das genetische Material (Erbgut), das die genetischen Merkmale einer Zelle enthält, geht von der Mutter- zur Tochterzelle über.

Prokaryotische Zellen

Sie sind in der Regel sehr klein. Sie haben eine Zellwand, die die Membran umschließt und eine wechselnde Zusammensetzung aufweist. Sie haben keinen echten Kern. Manchmal können sie über eine gallertartige Scheide (Glykokalix) verfügen. Das Zytoplasma hat zwei unterschiedliche Regionen: das Nucleoid, welches das genetische Material enthält, und das restliche Zytoplasma, in dem die Ribosomen liegen und in dem das Zytoskelett sowie das Endomembransystem fehlen. Sie können Geißeln besitzen und teilen sich durch binäre Spaltung. Das Hauptmerkmal dieser Zellen ist ihre morphologische Vielfalt.

Eukaryotische Zellen

Sie sind viel komplexer als Prokaryoten. Sie besitzen ebenfalls eine Plasmamembran und Ribosomen, unterscheiden sich aber von den anderen durch den Zellkern, zytoplasmatische Organellen und ein Zytoskelett. Das Vorhandensein dieser Organellen führt zu einer zellulären Kompartimentierung. Dies schafft Räume, in denen spezifische metabolische Aktivitäten stattfinden, die ihre Funktion verbessern. Die Partitionierung ist eine Aufteilung innerhalb der Zelle, wobei jedes Gebiet von einer Membran umschlossen ist. Die Polarität hingegen zeigt sich in der spezifischen Anordnung der Organellen, was in einigen Zellen (wie Neuronen) unverzichtbar und in anderen (wie Blutkörperchen) nicht erforderlich ist.

Zellmembranen

Lipide

Insbesondere Phospholipide, Glykolipide und Sterine. Alle haben einen amphipathischen Charakter und bilden in wässrigen Medien sphärische Mizellen oder Lipid-Doppelschichten. In der Membran sind sie asymmetrisch und heterogen verteilt. Sie besitzen die Fähigkeit zur Bewegung, was die Membranfluidität ermöglicht – ein Fluss, der von Faktoren wie der Temperatur, der Art der Lipide oder der Anwesenheit von Cholesterin abhängt.

Proteine

Sie verleihen der Membran spezifische Funktionen und sind charakteristisch für die jeweilige Art. Sie haben eine kugelförmige Struktur und werden in integrale Proteine (welche die Doppelschicht komplett durchqueren) und periphere Proteine (die nicht in die Doppelschicht eindringen, sondern an Lipide oder Transmembranproteine gebunden sind) unterteilt. Sie weisen eine laterale Diffusionsbewegung auf, die zur Membranfluidität beiträgt.

Kohlenhydrate

Vertreten durch Oligosaccharide, die Glykoproteine und Glykolipide bilden. Die Verteilung ist asymmetrisch und sie befinden sich nur an der Außenseite der Membran (extrazellulär). Sie bilden die Glykokalix, die dazu dient, die Oberfläche vor Läsionen zu schützen, Viskosität zu verleihen und bei der Zell-Zell-Erkennung sowie der Aufnahme von Stoffen durch Phagozytose oder Pinozytose zu agieren.

Eigenschaften und Funktionen

• Enthält Mechanismen für den Molekültransport.
• Wirkt als semipermeable Barriere für verschiedene Substanzen.
• Ermöglicht den Austausch von Stoffen (Ionen-, molekularer und makromolekularer Transport).
• Erkennt extrazelluläre Signale und übermittelt Informationen nach intrazellulär.
• Zelladhäsion.

Die pflanzliche Zellwand

Sie fungiert als Exoskelett. Sie ist dick sowie starr und findet sich bei Bakterien, Pflanzen, Algen und Pilzen außerhalb der Plasmamembran. Sie besteht hauptsächlich aus Polysacchariden. Bei Pilzen ist dies Chitin, bei Algen und Pflanzen Zellulose. Strukturell besteht sie aus:

• Mittellamelle: Die erste Schicht nach der Teilung, bestehend aus Pektin.
• Primärwand: Die Wand wachsender Zellen.
• Sekundärwand: Entsteht, wenn die Zelle nicht mehr wächst; bestehend aus Pektin, Zellulose und Lignin.

Diese Wand tritt vor allem in spezialisierten Geweben zur mechanischen Instandhaltung auf, wie im Xylem. Aufgaben: Verleiht dem Körper Steifigkeit, verbindet benachbarte Zellen, erleichtert den Flüssigkeitsaustausch, ermöglicht das Überleben in hypotonen Medien, wirkt wasserabdichtend und dient als Barriere gegen Krankheitserreger.

Cytosol und Zytoskelett

Das Cytosol

Auch als Hyaloplasma bezeichnet, ist es die wässrige Umgebung des Zytoplasmas, in die die Zellorganellen eingebettet sind. Es nimmt etwa die Hälfte des Zellvolumens ein. Es enthält große Mengen an Proteinen, insbesondere Enzyme, die viele Reaktionen des Zellstoffwechsels katalysieren. Hier finden die Glykolyse sowie die Biosynthese von Zuckern, Fettsäuren, Aminosäuren und Nukleotiden statt. Es enthält zudem Proteinfasern, die das Zytoskelett bilden. Zwischen 30 und 50 % der an Ribosomen synthetisierten Proteine verbleiben im Cytosol. Funktionen: PH-Regulator, Ort der meisten Stoffwechselreaktionen, Glykogenese und Glykogenolyse.

Das Zytoskelett

Ein dreidimensionales Protein-Netzwerk, das die interne Unterstützung liefert, Strukturen verankert und an Zellbewegungen sowie der Teilung beteiligt ist. Es besteht aus:

Mikrofilamente

Durchmesser von ca. 5 bis 7 nm. Sie bestehen aus dem Protein Aktin, das in zwei Formen vorkommt: G-Aktin (nicht polymerisiert) und F-Aktin (polymerisierte Doppelhelix). Sie arbeiten mit Regulationsproteinen wie Myosin zusammen. Funktionen: Muskelkontraktion, Pseudopodienbildung und Zytokinese.

Intermediärfilamente

Faserproteine mit 10–12 nm Durchmesser. Sie sind stabile Komponenten zur Unterstützung der Organellen. Je nach Gewebe bestehen sie aus Zytokeratin, Vimentin oder Neurofilamenten. Sie organisieren die dreidimensionale Struktur der Zelle.

Mikrotubuli

Röhrenförmige Strukturen (25 nm Durchmesser), bestehend aus Alpha- und Beta-Tubulin. Sie bilden 13 Protofilamente pro Mikrotubulus. Sie sind am Transport von Vesikeln und Organellen, der Mitose (Spindelapparat) sowie der Struktur von Wimpern und Geißeln beteiligt.