Die Zelle: Aufbau, Funktionen und Zellorganellen im Detail

Die Zelle als Grundeinheit des Lebens

Die Zelle ist die fundamentale Einheit des Lebens und kann in verschiedenen Aspekten betrachtet werden:

• Bauliche Einheit: Alle Organismen, ob Tiere oder Pflanzen, bestehen aus Zellen und zellulären Produkten.
• Funktionelle Einheit: In allen Zelltypen sind die chemische Zusammensetzung und die Stoffwechselvorgänge ähnlich. Die Zelle kann ihre Tätigkeit in der Entwicklung eines Individuums (einzellige Organismen) ausüben oder mit anderen Zellen interagieren und sich gegenseitig ergänzen, um vielzellige Organismen aufzubauen.
• Einheit des Ursprungs: Jede Zelle stammt aus einer anderen Zelle.
• Biochemische Einheit: Die Zelle verfügt über die biochemische Maschinerie, die es ihr ermöglicht, sich selbst und ihre genetischen Informationen zu kopieren und die Biosynthese von Makromolekülen in ihrer Struktur sowie die Funktion von Membranproteinen zu steuern.

Membranproteine sind an verschiedenen Funktionen beteiligt: Sie können als Enzymsysteme agieren, als Rezeptormoleküle dienen und Botschaften ins Zellinnere übertragen, wodurch der Materialtransport durch die Membran ermöglicht wird. Kohlenhydrate befinden sich auf der äußeren Oberfläche der Membran und sind wichtig für die Aufnahme von Signalen sowie die Erkennung gleichartiger Zellen zur Gewebebildung.

Die Plasmamembran: Funktionen und Eigenschaften

Zusammenfassend lassen sich die Funktionen der Plasmamembran wie folgt zusammenfassen:

1. Teilnahme an molekularen Erkennungsprozessen.
2. Beteiligung an der Bestimmung der Zellform.
3. Empfang externer Informationen und deren Übermittlung an die Zelle.
4. Regulierung des Materialaustauschs zwischen dem intra- und extrazellulären Raum, um die optimale Konzentration für zelluläre Prozesse aufrechtzuerhalten.

Die Membranphospholipide beschränken den Eintritt und Austritt polarer Substanzen (d.h. mit einer positiven und einer negativen Seite). Dadurch wird die Bewegung einiger Stoffe ermöglicht und die anderer verhindert. Man spricht daher von einer semipermeablen Membran.

Der Zellkern: Steuerzentrale der Zelle

Der Zellkern hat zwei Hauptfunktionen:

1. Er kontrolliert die Vererbung und Zellvermehrung.
2. Er reguliert den Großteil der zytoplasmatischen Aktivität.

Die Kernhülle, auch Karyotheka genannt, ist eine doppelte Membran mit Poren, die das Chromosomenmaterial vom Zytoplasma trennt. Sie ist Teil des Endomembransystems und zeigt Kontinuität mit dem endoplasmatischen Retikulum.

Das Endoplasmatische Retikulum (ER)

Das ER ist ein membranumschlossenes Organell, bestehend aus einem System miteinander verbundener Tubuli und Vesikel. Es ist stellenweise mit der Plasma- und Kernmembran verbunden und fungiert als intrazelluläres Transportsystem für Materialien.

Raues Endoplasmatisches Retikulum (RER)

Das raue Endoplasmatische Retikulum (RER) ist auf seiner äußeren Oberfläche mit Ribosomen besetzt. Da die Funktion der Ribosomen die Proteinsynthese ist, ist die Hauptfunktion des RER die Synthese und Modifikation von Proteinen, die für den Export oder die Integration in Membranen bestimmt sind.

Glattes Endoplasmatisches Retikulum (REL)

Das glatte Endoplasmatische Retikulum (REL) besitzt keine Ribosomen auf seiner Oberfläche. Es ist an Funktionen wie der Lipidsynthese (z.B. von Steroiden, Phospholipiden und Triglyceriden) und der Entgiftung schädlicher Substanzen in den Zellen beteiligt, besonders in der Leber.

Der Golgi-Apparat (Golgi-Komplex)

Der Golgi-Komplex ist ein weiteres wichtiges Organell mit vielfältigen Aufgaben:

1. Er ermöglicht die intrazelluläre Bewegung von Materialien, die im glatten und rauen ER synthetisiert wurden.
2. Er synthetisiert Moleküle, die Bestandteil der Zellhülle (Glykokalyx) oder der Zellmembran (Glykolipide und Glykoproteine) sind.
3. Er ist an der Bildung von Lysosomen beteiligt, die Verdauungsenzyme enthalten, sowie am Akrosom, einer Struktur in Spermien, die deren Eindringen in die Eizelle ermöglicht.

Ribosomen: Die Proteinproduzenten

Ribosomen sind korpuskuläre Organellen, die für die Proteinsynthese verantwortlich sind. Sie können entweder frei im Zytosol oder an der Oberfläche des RER vorkommen. Freie Ribosomen synthetisieren Proteine für den internen Gebrauch der Zelle, während die an retikuläre Membranen gebundenen Ribosomen Proteine für Lysosomen (Enzyme) und zur Sekretion synthetisieren.

Lysosomen: Die zellulären Recycler

Lysosomen haben mehrere wichtige Funktionen:

1. Sie verdauen Nahrung und andere Materialien, die in die Zelle aufgenommen wurden. Bestimmte Zelltypen, wie weiße Blutkörperchen, die sich von Bakterien ernähren, spielen hierbei eine wichtige Rolle in der Immunabwehr.
2. Sie verdauen Reste von Zellorganellen und -membranen durch einen Prozess namens Autophagie. Diese Funktion ermöglicht die Renovierung und Erneuerung zellulärer Komponenten in verletzten oder alternden Zellen.
3. Sie verdauen extrazelluläres Material, indem sie Enzyme in die Umgebung freisetzen. Dies ist beispielsweise bei der Verdauung von Nahrung im Verdauungstrakt, beim Umbau von Knochen und beim Eindringen von Spermien bei der Befruchtung der Fall.

Zellmembran: Zusammensetzung und Fluidität

Chemische Zusammensetzung

Die Zellmembran besteht typischerweise aus 40% Lipiden, 50% Proteinen und 10% Kohlenhydraten. Die drei Haupttypen eukaryotischer Membranlipide sind Phospholipide, Glykolipide und Cholesterin.

Diese Lipide besitzen einen hydrophoben und einen hydrophilen Teil. In einem wässrigen Medium ordnen sie sich zu einer Lipid-Doppelschicht an.

Membranfluidität

Die Fluidität ist eine der wichtigsten Eigenschaften der Membranen. Sie hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Temperatur: Die Fluidität steigt mit zunehmender Temperatur.
• Art der Lipide: Die Anwesenheit von ungesättigten Lipiden und kurzkettigen Fettsäuren erhöht die Fluidität.
• Cholesterin: Die Anwesenheit von Cholesterin versteift die Membranen, wodurch die Fluidität und Permeabilität verringert werden.

Membranproteine

Membranproteine lassen sich in integrale (Transmembranproteine) und periphere Proteine unterteilen.