Die Zelle: Struktur, Funktion und Stoffwechsel

Die Zelle: Strukturelle und funktionelle Einheit

Die Zelle ist die strukturelle und funktionelle Einheit von Lebewesen, da alle Lebewesen aus einer oder mehreren Zellen aufgebaut sind und sie die kleinste Einheit der Materie darstellt, die grundlegende Lebensfunktionen ausführen kann (jede Zelle leitet sich von einer anderen Zelle ab).

Die Zelle aus struktureller Sicht

Zellen können gruppiert werden in:

• Eukaryonten: Besitzen eine DNA im Kern und sind vom Rest des Zytoplasmas durch eine Doppelmembran getrennt (Tier- und Pflanzenzellen sind eukaryotisch).
• Prokaryonten: Die DNA ist nicht durch eine Membran vom Zytoplasma getrennt, sondern darin verstreut (Bakterien sind Prokaryonten).

Zellbestandteile

Plasmamembran

Sie ist die Grenze der Zelle und steuert den Austausch von Stoffen zwischen der äußeren Umgebung und dem Zellinneren. Sie besteht aus einer Lipid-Doppelschicht, in die Proteine eingelagert sind.

Zytoplasma

Es besteht aus Organellen, die in einer Lösung eingebettet sind, welche als Hyaloplasma bezeichnet wird und von membranumschlossenen Kompartimenten umgeben ist.

Strukturen ohne Membran:

• Zytoskelett: Besteht aus Proteinfilamenten, die ein Gitter im Hyaloplasma verteilen, die Form der Zelle bestimmen und für deren Bewegungen verantwortlich sind.
• Zentrosom: Bereich nahe dem Kern, von dem aus die Zytoskelettfilamente entspringen (bei tierischen Zellen die Zentriolen).

Membranöse Strukturen:

Abgeflachte, röhrenförmige Strukturen, die im Zytoplasma verteilt sind.

• ER (Endoplasmatisches Retikulum): Röhrenförmige Strukturen, die Ribosomen tragen und Membranlipide synthetisieren.
• RER (Raues ER): Außen mit Ribosomen bedeckt, beteiligt an der Synthese von Proteinen in den Membranstrukturen.
• Golgi-Apparat: Besteht aus Vesikeln und Membransäcken. Seine Funktion ist die Synthese, Speicherung und Freisetzung von Makromolekülen nach außen (Sekretion).
• Lysosomen: Membranöse Vesikel mit Verdauungsenzymen (Digestion).
• Mitochondrien: Sind von einer doppelten Begrenzungsmembran umgeben, die als Hülle bezeichnet wird. Die innere Membran ragt in die Matrix hinein und bildet Cristae. Sie enthalten kleine DNA-Moleküle und sind für die Energiegewinnung zuständig.

Nukleus (Zellkern)

Er ist durch eine Plasmamembran vom Zytoplasma getrennt. Die Kernmembran ist perforiert, was den Austausch von Stoffen ermöglicht. Im Kern befinden sich:

• Chromatin: Gebildet aus Fibrillen, die aus einem DNA-Molekül bestehen. Es steuert und reguliert die lebenswichtigen Funktionen der Zelle.
• Nukleolen: Ein oder mehrere Bereiche mit körnigem Aussehen, in denen Ribosomen gebildet werden.

Pflanzenzelle

Sie unterscheidet sich von tierischen Zellen durch einzigartige Strukturen und Organellen wie Chloroplasten, Zellwand und große Vakuolen. Die Zentriolen fehlen.

• Zellwand: Besteht hauptsächlich aus Zellulose, schützt die Zellen und erhält ihre Form.
• Vakuolen: Können bis zu 90% der Zelle einnehmen und führen Speicherfunktionen durch.
• Chloroplasten: Enthalten das Chlorophyll und führen die Photosynthese durch. Sie besitzen eine doppelte Begrenzungsmembran, deren Innenraum als Stroma bezeichnet wird und membranumschlossene Formationen, die Thylakoide, enthält.

Die funktionelle Einheit Zelle

Die chemischen Reaktionen in den Zellen werden als Stoffwechsel bezeichnet. Es gibt zwei Stoffwechselprozesse:

• Anabolismus: Herstellung eigener Nahrungsmittel aus anorganischen chemischen Stoffen und Nährstoffen der Umwelt. Es wird Energie benötigt, die in chemischen Verbindungen gespeichert wird (Sonnenenergie).
• Katabolismus: Abbau von chemischen Verbindungen in einfachere Komponenten, wobei die in ihren Verbindungen enthaltene Energie freigesetzt wird. Diese Energie wird für Bewegung und den Transport von Nährstoffen durch die Membran verwendet.

Das ATP

Es ist der häufigste Vermittler zwischen den Stoffwechselprozessen, die Energie freisetzen (Photosynthese und Atmung). Ein ATP-Molekül besteht aus einem Nukleotid, einer stickstoffhaltigen Base (Adenin), Zucker (Ribose) und einer Phosphatgruppe mit drei sogenannten „hochenergetischen Bindungen“.

Der Stoffaustausch der Zelle mit der Umwelt

Er erfolgt durch:

• Autotrophie: Die Zelle stellt ihre eigenen Stoffe aus anorganischen Nährstoffen wie CO2 und H2O her.
• Heterotrophe Ernährung: Die Zelle bezieht ihre organischen Nährstoffe aus der Umwelt und von anderen Organismen.

Transport durch die Membran

Die Plasmamembran ermöglicht die Aufnahme von Substanzen und verhindert das Austreten anderer. Der Durchtritt erfolgt durch verschiedene Mechanismen:

Kleine Moleküle

Sie überqueren die Plasmamembran durch folgende Mechanismen:

• Diffusionsmechanismen: Wasser und gelöste Stoffe bewegen sich durch eine semipermeable Membran, bis die mittlere Konzentration erreicht ist (Bewegung von der Seite der höheren Konzentration zur geringeren).
• Osmose: Nur Wasser fließt durch eine semipermeable Membran, je nachdem, ob die Konzentration höher (hypoton) oder niedriger (hyperton) ist, bis beide Seiten gleich sind (isotonisch).
• Aktiver Transport: Kleine Moleküle werden entgegen der Konzentrationsrichtung transportiert, d.h. von dort, wo ihre Konzentration geringer ist, zur höheren Konzentration (erfordert ATP-Energie).