Zellbiologie: Organellen, Zellteilung und Fortpflanzung im Überblick

Organellen der Zelle

Endoplasmatisches Retikulum: Das endoplasmatische Retikulum ist ein System aus röhrenförmigen und membranösen Vesikeln, die untereinander verbunden sind und sich durch die gesamte Zelle erstrecken können. Es gibt zwei Formen:

• Glattes ER (Normal): Es ist mit der Synthese von Lipiden verbunden.
• Raues ER (Rough): Es ist mit Ribosomen besetzt und produziert Proteine.

Funktionen: Das ER ermöglicht den intrazellulären Stofftransport (passiv und aktiv), verteilt die Produkte, die in der Zelle hergestellt werden, und ist an der Hydroxylierung beteiligt, durch die giftige Stoffe unschädlich gemacht werden.

Golgi-Apparat: Der Golgi-Apparat besteht aus abgeflachten, membranösen Säckchen (Zisternen), von denen kleine Vesikel abgeschnürt werden. Er enthält keine Ribosomen. Er wurde im Jahr 1898 entdeckt.

Funktionen: Er speichert und sekretiert Proteine, Enzyme, Hormone und einige Kohlenhydrate. Außerdem verpackt er Proteine, die zur Entstehung von Lysosomen führen.

Vakuolen: Vakuolen sind von einer Membran umgebene Hohlräume im Zytoplasma. Sie sind in pflanzlichen Zellen besonders zahlreich. Bei Pflanzen dienen sie der Speicherung von Reserveprodukten oder Abfallstoffen; bei verdauungsfähigen Inhalten verschmelzen sie mit lysosomalen Vesikeln. In tierischen Zellen sind sie vor allem mit dem vorübergehenden Speichern von Stoffen verbunden.

Zellkern: Der Zellkern ist das steuernde Organell der Zelle. Er ist für die Reproduktion der Zelle verantwortlich und kontrolliert die Bildung und Regulation von Biomolekülen. (Experimente von J. Hammerling mit der einzelligen Grünalge Acetabularia.)

Der Zellkern wurde von Robert Brown entdeckt. Er ist ein kugel- oder ovalförmiges Körperchen von etwa 1 cm Größe (im Maßstab der Darstellung) und ein konstanter Bestandteil eukaryotischer Zellen. Er wird von der Kernmembran (Kernhülle) umgeben und enthält Nukleoplasma (Karyoplasma) sowie den Nukleolus (Kernkörperchen).

Zellkern und Zellzyklus: Bei Zellen, die Prokaryoten sind, liegt das genetische Material verteilt vor. In Zellen mit Zellkern besitzt der Zellkern Nukleotide. Der Zellzyklus umfasst 4 Phasen:

• G1-Phase: Erste Wachstumsphase; die Zelle synthetisiert Strukturen und Proteine.
• S-Phase: Die DNA wird verdoppelt.
• G2-Phase: Zweite Wachstumsphase; die Zelle bereitet sich auf die Teilung vor.
• M-Phase: Mitose oder Zellteilung.

Zellteilung

Somatische Zellen (diploid) und Keimzellen (haploid) teilen sich auf unterschiedliche Weise. Man unterscheidet die Mitose (in somatischen Zellen) und die Meiose (in Keimzellen).

Mitose

Die Mitose wird in folgende Phasen unterteilt:

• Prophase: Das Zentrosom teilt sich in zwei Zentriolen, die sich zu entgegengesetzten Polen bewegen. Aus Proteinen bildet sich die Spindelfaser (achromatische Spindel). Das Chromatin kondensiert zu sichtbaren Chromosomen.
• Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialplatte an.
• Anaphase: Die Schwesterchromatiden trennen sich und wandern zu den gegenüberliegenden Polen.
• Telophase: Um die beiden Chromosomensätze bilden sich neue Kernmembranen; die Spindel wird abgebaut.
• Zytokinese: Das Zytoplasma teilt sich, sodass zwei genetisch identische Tochterzellen entstehen.

Ungeschlechtliche Fortpflanzung

Die Nachkommen sind mit dem Elternteil identisch und besitzen dieselben vererbbaren Eigenschaften. Formen sind:

• Knospung: Auf dem Körper des Stammorganismus bildet sich eine Knospe, die sich zu einem neuen Individuum entwickelt.
• Zweiteilung oder Querteilung: Der Organismus teilt sich in zwei gleich große Hälften.
• Sporenbildung: Der Kern teilt sich in mehrere Teile; anschließend wird jeder Tochterkern von einer Membran umgeben und wird unabhängig.
• Regeneration: Aus abgetrennten Teilen kann ein vollständiger Organismus entstehen.

Meiose

Die Meiose besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Zellteilungen, bei denen die Chromosomen jedoch nur einmal geteilt werden. Sie umfasst die erste und zweite meiotische Teilung:

• Prophase I: Die Verdopplung der Chromosomen ist abgeschlossen; durch Crossing-over findet ein Austausch von Genen statt.
• Metaphase I: Die homologen Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialplatte an.
• Anaphase I: Die homologen Chromosomen wandern zu den Polen.
• Telophase I: Die Spindel wird abgebaut und die Kernmembran bildet sich um die Chromosomen neu.

Bei Bakterien und Protozoen tritt außerdem die Konjugation auf, bei der über Zytoplasmabrücken genetisches Material ausgetauscht wird.

Weitere Organellen

Chloroplasten: Chloroplasten sind charakteristisch für autotrophe Protozoen und Pflanzen. Sie sind von 2 Membranen umgeben. Man unterscheidet Leukoplasten (farblos, z. B. Amyloplasten zur Stärkespeicherung) und Chloroplasten im engeren Sinn (grün). Sie sind meist kugelförmig.

Photosynthese:

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Die Photosynthese verläuft in zwei Phasen: die Lichtreaktion (fotochemische Phase) und die Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus, lichtunabhängige Phase).

Ribosomen: Ribosomen bestehen aus RNA und Proteinen. Sie sind entweder an das raue endoplasmatische Retikulum gebunden oder liegen frei im Zytoplasma vor. Sie sind für die Proteinsynthese zuständig.

Mitochondrien: Mitochondrien sind Organellen, die in aeroben eukaryotischen Zellen vorkommen. Sie sind im Zytoplasma verteilt und vermehren sich durch Teilung bereits vorhandener Mitochondrien. Sie sind das Energie-Erzeugungszentrum der Zelle, in dem die aerobe Atmung stattfindet.

Gesamtgleichung: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Die aerobe Atmung verläuft in 3 Stufen: Glykolyse, Citratzyklus (Krebs-Zyklus) und Atmungskette.

Lysosomen: Lysosomen sind bläschenförmige Organellen, die von einer Membran umgeben sind und hydrolytische Enzyme enthalten. Mit ihnen können fast alle Verbindungen abgebaut werden. Sie setzen sich bei Bedarf frei und dienen der Verdauung. Tierische Zellen besitzen Lysosomen, pflanzliche Zellen in der Regel nicht.

Zytoskelett: Das Zytoskelett verleiht der Zelle Elastizität, Kontraktilität und Form und ermöglicht die Bewegung von Organellen. Es besteht aus Mikrotubuli, Mikrofilamenten und Intermediärfilamenten.

Zentrosom: Das Zentrosom ist charakteristisch für tierische Zellen. Es entsteht durch Teilung einer bereits bestehenden Zelle und besteht aus zwei Zentriolen.

Zilien und Geißeln: Zilien und Geißeln sind spezialisierte Organellen zur Fortbewegung, die sich auf der Zelloberfläche befinden. Zilien sind zahlreich und kurz, Geißeln sind wenige und lang. Beide bestehen aus Zellkörperchen und Fortsätzen.

Zellwand: Die Zellwand ist eine harte Schicht, die bei Pflanzen aus Cellulose, bei Pilzen aus Chitin und bei Bakterien aus anderen Substanzen besteht. Sie liegt außerhalb der Zellmembran.