Zellbiologie: Struktur, Typen und Gewebe
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1. Die Zelle: Grundlagen der Zellbiologie
Organische und anorganische Verbindungen bilden die Grundlage von Zellen. Alle Lebewesen bestehen aus einer oder mehreren lebenden Zellen. Die Zelle ist die kleinste Einheit, die in der Lage ist, drei wesentliche Funktionen auszuführen: Ernährung, Interaktion (Beziehungen) und Reproduktion.
Menschliche Zellen sind eukaryotisch. Sie besitzen genetisches Material (DNA), das in einer doppelten Hülle eingeschlossen ist, welche den Kern bildet. Das Zytoplasma ist in zahlreiche Organellen für spezielle Funktionen unterteilt (kompartimentalisiert).
Die Zellen unseres Körpers haben eine ähnliche Grundstruktur, unterscheiden sich jedoch in Form, Größe und Funktion. Die meisten menschlichen Zellen messen nur wenige Mikrometer. Die größten Zellen sind Eizellen und einige Neuronen, während Spermien zu den kleinsten Zellen gehören.
2. Die Prokaryotische Zelle
Prokaryotische Zellen sind strukturell einfacher als Eukaryoten und besitzen keinen echten Zellkern. Ihre Hauptkomponenten sind:
- Die Kapsel: Eine gummiartige Schicht, die Bakterien zu Kolonien verbinden oder Schutz bieten kann.
- Die Zellwand: Ein starrer Rahmen aus Murein, der die Zelle vor osmotischen Schäden schützt und ihre Form bestimmt. Die drei häufigsten Formen sind: Kokken, Bazillen und Spirillen.
- Die Plasmamembran: Eine typische Phospholipid-Doppelschicht.
- Die Mesosomen: Interne Falten der Plasmamembran, die mit der Atmung verbunden sind.
- Photosynthese-Membranen: Flächen mit Pigmenten, die Licht absorbieren (bei phototrophen Bakterien).
- Die Pili: Protein-Stäbe, die der Zell-Zell-Anheftung dienen.
- Die Geißel (Flagellum): Verantwortlich für die Beweglichkeit vieler Bakterien.
- Die Plasmide: Kleine, ringförmige DNA-Stücke, die sich unabhängig vom Hauptgenom replizieren.
- Das genetische Material (Nukleoid): Ein Ring doppelsträngiger DNA, der nicht von einer Kernmembran umschlossen ist.
- Ribosomen: Kleiner als die der Eukaryonten (70S).
- Nahrungsspeicher: Häufig Fett- oder Glykogen-Granula.
3. Ultrastruktur der Tierzelle (Eukaryoten)
Die eukaryotische Tierzelle ist durch komplexe Organellen und Kompartimentierung gekennzeichnet:
- Die Plasmamembran (Plasmalemma): Die äußere Begrenzung der Zelle, die den Kontakt zur Umgebung herstellt, eine selektive Durchlässigkeit besitzt und den Transport gelöster Stoffe reguliert.
- Mikrovilli: Erweiterungen der Plasmamembran, die die Oberfläche der Zelle vergrößern.
- Das Zytoplasma: Besteht hauptsächlich aus Wasser und vielen gelösten Stoffen, durchzogen vom Zytoskelett (Mikrotubuli und Mikrofilamente).
- Mikrotubuli: Hohle Röhren aus dem Protein Tubulin. Sie sind am intrazellulären Transport beteiligt, haben eine strukturelle Rolle und sind Komponenten anderer spezialisierter Strukturen.
- Mikrofilamente: Protein-Fasern aus Aktin, die eine Rolle bei der Endozytose und Exozytose spielen.
- Sekretvesikel: Transportieren von der Zelle synthetisierte Produkte oder Abbauprodukte aus den Lysosomen nach außen.
- Endozytische Vesikel: Entstehen durch die Aufnahme von Molekülen oder Strukturen, die zu groß sind, um die Membran direkt zu passieren.
- Der Kern: Das Regulationszentrum zellulärer Prozesse. Er enthält das Erbgut (DNA), das an Proteine gebunden ist.
- Freie Ribosomen: Der Ort der Proteinsynthese im Zytoplasma.
- Das Raue Endoplasmatische Retikulum (RER): Benannt nach den vielen Ribosomen auf seiner Oberfläche. Es ist Teil der zellulären Kompartimentierung und transportiert Proteine, die an den Ribosomen synthetisiert wurden, zum Golgi-Apparat.
- Der Golgi-Apparat: Ein Stapel von Säcken, genannt Zisternen. Er modifiziert und verpackt zelluläre Produkte, oft in Vesikel für die Sekretion (z. B. Trypsinogen).
- Lysosomen: Vesikel, die hohe Konzentrationen an Verdauungsenzymen enthalten. Diese Enzyme bauen Teile des Zellinhalts ab.
- Peroxisomen: Enthalten oxidative Enzyme und sind wichtig, um die Zellalterung zu verlangsamen.
- Die Mitochondrien: Der Ort der aeroben Atmung und Energieproduktion.
- Die Zentriolen: Ein Paar Strukturen, die als Organisationszentren für Mikrotubuli (Spindelapparat) dienen.
4. Vergleich: Prokaryotische und Eukaryotische Zelle
Gemeinsamkeiten
- Beide besitzen DNA als genetisches Material.
- Beide sind von einer Plasmamembran umgeben.
- Beide besitzen Ribosomen.
- Beide weisen ähnliche grundlegende Stoffwechselprozesse auf.
- Beide können verschiedene Formen annehmen.
Unterschiede im Überblick
| Merkmal | Prokaryoten | Eukaryoten |
|---|---|---|
| Kernhülle | Nein | Ja (Echter Kern) |
| Nukleolus | Nein | Ja |
| Organellen | Nein | Ja (Kompartimentierung) |
| Ribosomen | 70S (kleiner) | 80S |
| DNA | Nackt, ringförmig | Linear, assoziiert mit Proteinen (Histone) |
| Lage des genetischen Materials | Verstreut im Zytoplasma (Nukleoid) | Im Kern |
| Chromosomen | Eines (meist kreisförmig) | Mehrere (linear) |
| Zellwand | Ja (ohne Zellulose) | Nur in Pflanzen (mit Zellulose) |
5. Unterschiede zwischen Tier- und Pflanzenzellen
Sowohl Pflanzen- als auch Tierzellen besitzen eine Zellmembran. Die Pflanzenzelle verfügt jedoch zusätzlich über eine Zellwand aus Zellulose, die ihr Steifigkeit verleiht.
- Chloroplasten: Pflanzenzellen enthalten Chloroplasten, Organellen zur Synthese von Zuckern aus Kohlendioxid, Mineralien, Wasser und Licht (Photosynthese). Dies macht die Pflanzenzelle autotroph (sie produziert ihre eigene Nahrung). Tierzellen besitzen keine Chloroplasten.
- Vakuolen: Die Pflanzenzelle besitzt typischerweise eine einzige große Vakuole, die den Großteil des Innenraums ausfüllt. Die Tierzelle hat viele kleinere Vakuolen.
- Zellwand: Die Pflanzenzelle besitzt eine starre Zellwand aus Zellulose, während die Tierzelle keine Zellwand besitzt.
- Zentriolen: Zentriolen sind in Tierzellen vorhanden, fehlen aber meist in höheren Pflanzenzellen.
Die Pflanzenzelle kann sich durch einen Prozess replizieren, der zu Nachkommen führt, die identisch mit der Vorläuferzelle sind. Diese Art der Fortpflanzung wird asexuelle Fortpflanzung genannt.
6. Zellassoziation, Gewebe und Zelldifferenzierung
Zelldifferenzierung ist der Prozess, durch den Zellen während der Embryonalentwicklung oder im Leben eines mehrzelligen Organismus eine spezifische Form und Funktion erwerben. Sie spezialisieren sich, um bestimmte Zelltypen und assoziierte Gewebe zu bilden. Obwohl sich die Morphologie der Zellen während der Differenzierung stark verändert, bleibt das genetische Material (das Genom) unverändert.
Definition von Gewebe
Ein Gewebe ist eine Ansammlung von Zellen des gleichen Typs, die strukturell sehr ähnlich sind und die gleichen Funktionen ausführen.
Hauptgewebearten und ihre Funktionen
Schutzgewebe (Epithel)
- Tegument (Haut): Äußere Hülle des Körpers.
- Schleimhaut: Schützt innere Hohlräume (Atemwege, Magen-Darm-Trakt).
Speichergewebe
- Fettgewebe: Zellen speichern Fett als Nahrungsreserve.
Stützgewebe
- Knochengewebe: Dient als starres Gerüst und zur Speicherung von Mineralien.
Sekretionsgewebe
- Drüsengewebe: Produziert und gibt Stoffe mit unterschiedlichen Funktionen frei.
Verbindungsgewebe
- Bindegewebe: Verbindet andere Gewebe und umgibt Organe.
Bewegungsgewebe
- Muskelgewebe: Die Zellen kontrahieren und ermöglichen die Bewegungen des Körpers.