Zellbiologie Grundlagen: Aufbau, Funktion und Zellteilung

Zelle: Strukturelle und Funktionelle Einheit des Lebens

Die Zelle ist die strukturelle und funktionelle Einheit des Lebens. Sie entsteht stets aus bereits existierenden Zellen.

Organisationsebenen

Abiotische Ebenen (nicht lebend)

• Subatomare Teilchen
• Atome
• Moleküle
• Supramolekulare und makromolekulare Komplexe
• Organellen

Biotische Ebenen (lebend)

• Zellen
• Gewebe
• Organe
• Organsysteme
• Individuen
• Populationen
• Gemeinschaften
• Ökosysteme
• Ökosphäre

Prokaryoten (Zellen ohne Zellkern)

Prokaryotische Zellen sind die einfachsten Zelltypen und besitzen keinen echten Zellkern.

Bestandteile prokaryotischer Zellen

• Zellwand: Eine feste und stabile Hülle, die aus Polysacchariden und Proteinen besteht.
• Plasmamembran: Befindet sich innerhalb der Zellwand und kontrolliert den Ein- und Austritt von Stoffen.
• Bakterienchromosom: Besteht aus einer ringförmigen DNA-Schleife, die alle genetischen Informationen der Zelle enthält.
• Ribosomen: Kleine Organellen, die der Ort der Proteinsynthese sind.
• Flagellen: Bewegliche Zytoplasma-Ausläufer, die der Fortbewegung dienen.
• Fimbrien: Zahlreiche kurze Strukturen, die Bakterien am Substrat fixieren.

Eukaryoten (Zellen mit komplexer innerer Struktur)

Eukaryotische Zellen sind komplexer aufgebaut und besitzen einen Zellkern sowie membranumschlossene Organellen.

Grundlegende Bestandteile eukaryotischer Zellen

• Plasmamembran: Eine Schicht, die die Zelle umgibt und den Stoffaustausch reguliert.
• Zellkern: Enthält das genetische Material der Zelle.
• Zytoplasma: Der Bereich zwischen der Plasmamembran und dem Zellkern.
• Zentrosom: Eine Region in der Nähe des Zellkerns, die die Bewegung der Zytoskelettfasern steuert.
• Zellorganellen: Spezialisierte Elemente, die verschiedene zelluläre Funktionen erfüllen.
  • Endoplasmatisches Retikulum: Besteht aus einem Netzwerk abgeflachter Säcke und röhrenförmiger Kanäle.
  • Golgi-Apparat: Besteht aus abgeflachten und gestapelten Zisternen.
  • Ribosomen: Kleine Partikel, die aus ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen bestehen und für die Proteinsynthese verantwortlich sind.
  • Mitochondrien: Oval oder kugelförmig, mit einer Doppelmembran; die „Kraftwerke“ der Zelle.
  • Lysosomen: Membranumschlossene Vesikel, die vom Golgi-Apparat gebildet werden und Verdauungsenzyme enthalten.
  • Vakuolen: Membranumschlossene Vesikel, die verschiedene Produkte im Zellinneren speichern (besonders groß in Pflanzenzellen).

Spezifische Merkmale von Tier- und Pflanzenzellen

• Tierische Zellen: Besitzen ein Zentrosom mit zwei kleinen Zylindern (Zentriolen).
• Pflanzliche Zellen: Besitzen eine Zellwand, die die Zelle schützt und Stabilität verleiht.

Der Zellkern (Nucleus)

Der Zellkern ist ein zentrales Organell in eukaryotischen Zellen, das die genetische Information enthält.

Bestandteile des Zellkerns

• Kernhülle: Eine Doppelmembran, bestehend aus einer äußeren und einer inneren Membran, die durch einen Intermembranraum getrennt sind und Kernporen besitzen.
• Karyoplasma: Die wässrige innere Umgebung des Zellkerns.
• Nukleolus (Kernkörperchen): Eine membranlose, kugelförmige Struktur im Zellkern, die an der Ribosomenbildung beteiligt ist.
• Chromatin: Besteht aus DNA-Strängen und Proteinen, die sich im Zellkern befinden.

Chromosomen und Ploidie

Chromosomen sind Träger der Erbinformation und liegen in unterschiedlichen Sätzen vor.

Chromosomensätze

• Haploide Organismen: Besitzen einen einfachen Chromosomensatz (n) in ihren Zellen.
• Diploide Organismen: Besitzen einen doppelten Chromosomensatz (2n) in ihren somatischen (nicht-reproduktiven) Zellen.

Karyotyp und Chromosomentypen

Der Karyotyp beschreibt die Gesamtheit der Chromosomen einer Zelle hinsichtlich ihrer Anzahl und Struktur.

Bestandteile des Karyotyps

• Heterosomen (Geschlechtschromosomen): Bestimmen das Geschlecht. Bei Frauen sind es XX, bei Männern XY.
• Autosomen: Die restlichen Chromosomen, die in beiden Geschlechtern in gleicher Anzahl vorhanden sind.

Beispiel: Der menschliche Karyotyp umfasst 46 Chromosomen, davon 22 Paare Autosomen und 1 Paar Heterosomen.

Der Zellzyklus

Der Zellzyklus beschreibt die Abfolge von Ereignissen, die eine Zelle durchläuft, von einer Zellteilung bis zur nächsten. Einige Zellen teilen sich regelmäßig (z.B. Darmepithelzellen, ca. 8 Stunden), während andere sich nicht mehr teilen (z.B. Erythrozyten, quergestreifte Muskelzellen, Neuronen).

Phasen des Zellzyklus

• Interphase: In dieser Phase ist der Zellkern sichtbar, und es findet die Replikation der DNA statt.
• M-Phase (Mitosephase): Die Chromosomen werden sichtbar, der Zellkern löst sich auf, und es kommt zur Mitose (Kernteilung) und Zytokinese (Zellteilung).
  • Zytokinese bei tierischen Zellen: Erfolgt durch Einschnürung des Zytoplasmas.
  • Zytokinese bei pflanzlichen Zellen: Eine Zellplatte (Phragmoplast) bildet sich zwischen den Tochterzellen.

Meiose (Reduktionsteilung)

Die Meiose ist eine spezielle Form der Zellteilung, auch Reduktionsteilung genannt. Am Ende entstehen vier haploide Tochterzellen, die genetisch voneinander und von der Mutterzelle verschieden sind.

Bildung von Gameten durch Meiose

Die nach der Meiose gebildeten Zellen sind Gameten (Keimzellen). Es gibt zwei Haupttypen:

• Spermatogenese: Die Bildung männlicher Gameten (Spermien) in den Hoden.
• Oogenese: Die Bildung weiblicher Gameten (Eizellen) in den Eierstöcken.