Zellbiologie: Aufbau und Funktionen der Zellorganellen

Cytosol

Das Cytosol ist der semi-flüssige Bestandteil der Zelle, der hauptsächlich aus Wasser, Salzen sowie in Wasser löslichen kleinen und großen Molekülen besteht. Zu seinen Bestandteilen zählen supramolekulare Komplexe wie das Zytoskelett, Ribosomen und Zentriolen. Zudem enthält es Polysaccharid-Granulate, Fetttröpfchen oder Pigmente. Hier findet ein Großteil des Stoffwechsels statt, darunter die Proteinsynthese an den Ribosomen.

Zytoskelett

Das Zytoskelett ist ein Netzwerk aus Protein-Fasern, das die Struktur und Form der Zelle aufrechterhält. Es ermöglicht die Bewegung verschiedener Zelltypen, ist für den Transport von Substanzen und Organellen verantwortlich und steuert die Bewegung von Cilien und Flagellen. Es besteht aus:

• Mikrofilamenten
• Intermediärfilamenten
• Mikrotubuli

Ribosomen

Ribosomen bestehen aus RNA und Proteinen. Sie besitzen zwei Untereinheiten, die an Boten-RNA (mRNA) binden, um Proteine zu synthetisieren. Sie befinden sich entweder am endoplasmatischen Retikulum oder frei im Cytoplasma.

Zytoplasmatische Organellen

Zellkompartimente, die von Membranen umgeben sind, bilden fast die Hälfte des Zellvolumens. Ihre Membranen sind hochselektiv. Jedes Organell besitzt einzigartige Merkmale. Diese Fächer ermöglichen es, verschiedene chemische Prozesse gleichzeitig durch Enzyme gesteuert ablaufen zu lassen. Die großen Membranflächen optimieren enzymatische Reaktionen und ermöglichen es Zellen, eine größere Größe zu erreichen.

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Das ER ist Teil des Endomembransystems. Seine Oberfläche ist um ein Vielfaches größer als die der Plasmamembran. Es ist ein komplexes Netz aus Kanälen und Hohlräumen, das ein Zentrum für Synthese, Transport und Lagerung bildet. Es gibt zwei Arten: das raue und das glatte ER. Zusammen mit dem Golgi-Apparat, Lysosomen und sekretorischen Vesikeln bildet es ein funktionelles System.

Raues endoplasmatisches Retikulum (RER)

Im RER werden Proteine, die von Ribosomen synthetisiert wurden, chemisch modifiziert und zum Golgi-Apparat geleitet.

Glattes endoplasmatisches Retikulum (REL)

Das REL ist verantwortlich für die Synthese von Lipiden wie Phospholipiden, Cholesterin und Lipid-Hormonen. Es modifiziert kleine Moleküle und baut toxische Substanzen ab, um Zellschäden zu verhindern (besonders wichtig in Leberzellen). Zudem kann es Glykogen hydrolysieren.

Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat besteht aus einer Gruppe abgeflachter Säckchen, die sich nahe dem Zellkern befinden und in sekretorischen Zellen stark entwickelt sind. Seine Funktionen umfassen:

• Empfang von Vesikeln mit Proteinen aus dem RER zur finalen Modifikation.
• Verpackung von Proteinen für die Exozytose.
• Signalisierung des Schicksals jedes Proteins durch molekulare Signale.
• Bildung von Lysosomen.
• Teilnahme an der Synthese der Zellwand.
• Erzeugung von Polysacchariden wie Schleim.

Lysosomen

Lysosomen sind Vesikel aus dem Golgi-Apparat, die große Mengen an Enzymen enthalten. Sie isolieren diese Enzyme, um eine Schädigung des Cytoplasmas zu verhindern.

Mitochondrien und Zellatmung

Mitochondrien

• Organellen mit einer Doppelmembran: eine glatte äußere Membran und eine innere Membran mit Falten, den sogenannten Cristae.
• Abbau von Nährstoffen (meist Glukose) durch Zellatmung.
• Benötigen Sauerstoff (O2), um Energie in ATP-Molekülen zu speichern.
• Die Anzahl der Mitochondrien in einer Zelle korreliert mit deren Aktivität.

Zellatmung

Ein Prozess, bei dem Glukose schrittweise abgebaut wird, gesteuert durch ein komplexes System von Enzymen. Die freigesetzte Energie wird in ATP gespeichert (38 ATP pro Glukosemolekül). Dies ist ein aerober Prozess (unter Einbeziehung von O2) und ein universeller Vorgang in Pflanzen und Tieren.

Phasen der Zellatmung

• Glykolyse: Findet im Cytoplasma statt. Da sie anaerob abläuft, ist die Energieausbeute gering. Glukose wird enzymatisch zu Brenztraubensäure abgebaut.
• Citratzyklus (Krebs-Zyklus): Eine Reihe chemischer Reaktionen, bei denen Acetyl-CoA mit Oxalacetat zu Zitronensäure reagiert. Acetyl-CoA wird zu CO2 oxidiert, wobei Energie in NADH und FADH2 gespeichert wird. Dieser Prozess findet in der mitochondrialen Matrix statt.