Grundlagen der Zellbiologie: Zelltheorie und Zellstrukturen

Die Grundlagen der Zelltheorie

Dank Schleiden und Schwann begann die Entwicklung der Zelltheorie:

• Die Zelle ist die strukturelle Einheit aller Lebewesen.
• Sie ist die funktionale Einheit, die alle Prozesse des Lebens steuert.
• Jede Zelle stammt von einer bereits existierenden Zelle ab.
• Sie ist die genetische Einheit aller Lebewesen. Sie enthält die Erbsubstanz, wodurch Eigenschaften der Stammzelle an die Tochterzellen weitergegeben werden.

Struktur der prokaryotischen Zelle

• Zellwand: Ein robustes Gehäuse aus Polysacchariden und Proteinen, das den Bakterien ihre Form verleiht.
• Plasmamembran: Innerhalb der Zellwand steuert sie den Ein- und Austritt von Stoffen. Sie faltet sich zu Mesosomen, die am Stoffwechsel (wie der Zellatmung) beteiligt sind.
• Bakterielles Chromosom: Besteht aus einem einzigen ringförmigen DNA-Molekül, das die gesamte genetische Information der Zelle enthält. Es befindet sich im Nukleoid.
• Ribosomen: Kleine Organellen, die bei der Proteinsynthese mitwirken.
• Flagellen: Fortsätze des Zytoplasmas, die an der Bewegung beteiligt sind.
• Fimbrien: Zahlreiche kurze Strukturen, die Bakterien auf dem Substrat fixieren.

Allgemeine Struktur eukaryotischer Zellen

• Plasmamembran: Eine Schicht, welche die Zelle isoliert und den Austausch von Stoffen mit der Außenwelt reguliert.
• Zellkern (Nucleus): Enthält das genetische Material und ist durch eine Kernhülle vom Rest getrennt, was den Stoffaustausch mit der Zelle ermöglicht.
• Zytoplasma: Befindet sich zwischen der Plasmamembran und dem Zellkern. Es besteht aus einem wässrigen Medium und einem Netz von Proteinfasern (Zytoskelett), die an der Bewegung und der Zellteilung beteiligt sind. Im Inneren befinden sich die Zellorganellen.

Zellorganellen und ihre Funktionen

• Endoplasmatisches Retikulum (ER): Besteht aus einer Gruppe abgeflachter Säckchen und schlauchförmiger Leitungen. Sind Ribosomen daran befestigt, wird es als raues (robustes) ER bezeichnet, ansonsten als glattes ER. Das raue ER synthetisiert Proteine, das glatte ER Lipide.
• Golgi-Apparat: Besteht aus Stapeln flacher Zisternen. Hier sammeln sich Stoffe aus dem endoplasmatischen Retikulum an, die anschließend über kleine Bläschen (Vesikel) nach außen abgegeben werden.
• Ribosomen: Kleine Partikel aus RNA und Proteinen, welche die Proteinsynthese durchführen.
• Mitochondrien: Rundliche oder längliche Form mit einer Doppelmembran. Hier findet die Zellatmung statt, durch welche die Zelle Energie gewinnt.
• Lysosomen: Membranvesikel aus dem Golgi-Apparat, die Verdauungsenzyme enthalten, um komplexe Moleküle durch Hydrolyse in einfachere zu zerlegen.
• Vakuolen: Membranvesikel, in denen verschiedene Produkte wie Wasser, Reservestoffe oder Pigmente gespeichert werden.

Zwei Modelle eukaryotischer Zellen

• Tierzellen: Besitzen ein Zentrosom mit zwei kleinen Zylindern, den sogenannten Zentriolen, die aus Protein-Mikrotubuli bestehen.
• Pflanzenzellen: Besitzen eine Zellwand außerhalb der Plasmamembran. Ihre Aufgabe ist es, die Zelle zu schützen und ihre Form zu erhalten. Sie haben Kanäle, sogenannte Plasmodesmen, welche die Zellen miteinander verbinden. Zudem besitzen sie große Vakuolen und Chloroplasten.

Der Zellkern: Aufbau und Bedeutung

Der Zellkern ist die auffälligste Struktur eukaryotischer Zellen und enthält den Großteil der DNA. Meist besitzen Zellen einen einzigen Kern, es gibt jedoch auch mehrkernige Zellen (z. B. quergestreifte Muskelzellen) oder kernlose Zellen (z. B. rote Blutkörperchen bei Säugetieren).

Bestandteile des Zellkerns

• Kernhülle: Besteht aus einer Doppelmembran, die durch einen Intermembranraum getrennt ist. Die äußere Membran ist mit dem endoplasmatischen Retikulum verbunden. Durch Kernporen findet der Austausch von Stoffen zwischen Zellkern und Zytoplasma statt.
• Karyoplasma: Das wässrige Milieu, in dem die anderen Kernkomponenten eingebettet sind. Hier findet die DNA-Replikation statt.
• Nukleolus (Kernkörperchen): Ein sphärisches Gebilde ohne Membran. Seine Hauptaufgabe ist die Bildung von Ribosomen.
• Chromatin: Besteht aus DNA-Strängen und assoziierten Proteinen, die im Nukleoplasma verteilt sind. Vor der Zellteilung organisiert und verdichtet sich das Chromatin zu dickeren Strukturen, den Chromosomen.

Chromosomen: Aufbau und Vererbung

Chromosomen sind fadenförmige Strukturen, die während der Zellteilung erscheinen. Sie übertragen die genetische Information der DNA von der Stammzelle auf die Tochterzellen. Sie bestehen aus einem stark gewundenen Strang aus DNA und verschiedenen Proteinen, die ihre Form stabilisieren. Sie bestehen aus zwei Chromatiden (Schwesterchromatiden), die am Zentromer verbunden sind. Jedes Chromatid besteht aus einem kondensierten Chromatinmolekül. Sie besitzen Arme, die gleich oder unterschiedlich lang sein können.

Anzahl der Chromosomen

Jede Art hat eine charakteristische Anzahl von Chromosomen:

• Haploide Organismen: Besitzen einen einfachen Chromosomensatz in ihren Zellen (dargestellt als n).
• Diploide Organismen: Besitzen einen doppelten Chromosomensatz in ihren Körperzellen. Diese werden als homologe Chromosomen bezeichnet, wobei jeweils eines von einem Elternteil stammt (dargestellt als 2n).

Verschiedene Arten von Chromosomen

• Metazentrisch: Das Zentromer liegt in der Mitte des Chromosoms; die Arme sind etwa gleich lang.
• Submetazentrisch: Das Zentromer ist zu einer Seite verschoben; die Arme sind etwas ungleich.
• Akrozentrisch: Das Zentromer liegt nahe an einem Ende; die Arme sind sehr ungleich lang.
• Telozentrisch: Das Zentromer liegt am äußersten Ende; es ist nur ein Arm sichtbar.

Der Karyotyp und die Geschlechtsbestimmung

Der Karyotyp beschreibt den gesamten Chromosomensatz einer Spezies. Es gibt zwei Arten von Chromosomen:

• Heterosomen (Geschlechtschromosomen): Beteiligt an der Geschlechtsbestimmung. Frauen besitzen zwei X-Chromosomen (XX), Männer ein X- und ein Y-Chromosom (XY).
• Autosomen: Die übrigen Chromosomen, die bei beiden Geschlechtern gleich sind. Menschliche Körperzellen besitzen 46 Chromosomen, davon 22 Paare Autosomen und ein Paar Geschlechtschromosomen.