Zellorganellen: ER, Golgi-Apparat, Lysosomen, Mitochondrien und Chloroplasten

1. Das Endoplasmatische Retikulum (ER)

Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein Netzwerk aus Tubuli und abgeflachten Säcken (Zisternen). Die Membran macht etwa 50% aller Zellmembranen aus und befindet sich außen an der Kernhülle.

Typen des ER

• Das Glatte Retikulum (SER): Ohne Ribosomen.
• Das Raue Retikulum (RER): Mit Ribosomen, die an der cytosolischen Seite angeheftet sind.

Funktionen des SER

• Synthese von Lipiden: Herstellung von Phospholipiden und Cholesterin sowie Derivaten wie Steroidhormonen und Gallensäuren.
• Entgiftung: In Leberzellen werden Substanzen (Drogen) entgiftet. Entgiftungsenzyme wandeln diese giftigen Stoffe in wasserlösliche Formen um, die über den Urin ausgeschieden werden können.
• Regulierung des Calcium-Spiegels: Es besitzt ATP-abhängige Calcium-Pumpen, welche Prozesse wie Sekretion, Zellproliferation und Muskelkontraktion regulieren.

Funktionen des RER

• Synthetisiert Proteine und deren Derivate (z.B. Faltung) für Enzyme, die an diesem Ort verbleiben oder weitergeleitet werden.

1.2. Der Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat besteht aus abgeflachten Säcken mit erweiterten Enden, genannt Dictyosomen. Er enthält eine große Anzahl von Golgi-Vesikeln unterschiedlicher Größe. Er gliedert sich in drei funktionelle Regionen: Cis-Seite, mediale Seite und Trans-Seite. Proteine und Lipide, die im ER synthetisiert wurden, gelangen über Vesikel zur Cis-Seite.

Funktionen des Golgi-Apparates

• Schließt die Glykosylierung von Proteinen ab.
• Bildung von Glykolipiden und Sphingomyelin.
• In Pflanzenzellen: Synthese der komplexen Polysaccharide der Zellwand (Hemicellulose und Pektin).
• Sekretion: Steuert die Verteilung und den Export von Proteinen zu Lysosomen, zur Plasmamembran oder außerhalb der Zelle.

Transportwege

Route der konstitutiven Sekretion: Kommt in allen Zellen vor. Dient der Erneuerung der Komponenten der Plasmamembran und der extrazellulären Matrix.

Regulierte Sekretion: Erfolgt nur in spezialisierten sekretorischen Zellen (z.B. endokrinen Zellen). Wird durch regulatorische Signale oder Impulse ausgelöst. Produziert Hormone, Neurotransmitter und Verdauungsenzyme.

1.3. Lysosomen

Lysosomen sind „Mülltonnen“ der Zelle, die einen Satz hydrolytischer Enzyme zur intrazellulären Verdauung enthalten. Diese Enzyme sind saure Hydrolasen, die einen niedrigen pH-Wert benötigen. Sie besitzen Protonenpumpen und benötigen daher ATP, um H+ in das Innere zu pumpen. Die Lysosomenmembran enthält auch Transportproteine.

Typen von Lysosomen

1. Primäre Lysosomen (Lis): Gerade entstanden, besitzen Enzyme, aber es findet noch keine intrazelluläre Verdauung statt. Sie sind klein.
2. Sekundäre Lysosomen (größere Verdauungsvakuolen): Entstehen, wenn primäre Lysosomen mit Vesikeln verschmelzen, die Material enthalten, das verdaut werden muss.
3. Restkörper (Cuerpos residuales): Lysosomen, deren Verdauung abgeschlossen ist.

Autophagie und Heterophagie

• Autophagie: Recycling von Organellen der Zelle selbst.
• Heterophagie: Abbau von externen Materialien.

1.5. Mitochondrien

Mitochondrien sind die charakteristischen Organellen aerober eukaryotischer Zellen (sie produzieren ATP) und sind der Ort bestimmter Reaktionen der Zellatmung.

Struktur der Mitochondrien

Mitochondrien besitzen zwei Membranen: eine äußere und eine innere.

• Äußere Membran: Enthält Porine, Proteine, die Kanäle bilden, durch die Moleküle mit geringem Molekulargewicht passieren können.
• Innere Membran: Hat einen höheren Proteingehalt als die Zellmembran und enthält die ATP-Synthase. Sie bildet Falten, die als Cristae bezeichnet werden.
• Intermembranraum: Der Raum zwischen den beiden Membranen.
• Matrix: Wird von mehreren Kopien einer doppelsträngigen DNA und geschlossenen Ribosomen gebildet.

Physiologie der Mitochondrien

Hier finden die komplexen Oxidationsreaktionen der aeroben Atmung statt, bei denen Kohlendioxid produziert wird. In diesem Prozess wird Energie zur Herstellung von ATP genutzt.

• Matrix: Enthält eine Vielzahl von Enzymen, die Prozesse wie die Oxidation von Essigsäure (Acetyl-CoA) katalysieren, z.B. den Citratzyklus (Krebs-Zyklus), der alle vorherigen Oxidationen zu CO2 führt.
• Innere Membran: Hier findet die Atmungskette statt. Bei der Oxidation werden Elektronen freigesetzt. Die Atmungskette sammelt diese Elektronen und transportiert sie zu ihrem endgültigen Akzeptor. Diese Elektronentransportkette setzt Energie frei, um einen Protonenfluss von der Matrix in den Intermembranraum zu erzeugen.
• Oxidative Phosphorylierung: Dies ist der Prozess, der ATP aus ADP und Phosphat produziert, wenn die Protonen dem durch die ATP-Synthase erzeugten Konzentrationsgradienten folgen.

2.1. Chloroplasten

Chloroplasten sind Organellen in Pflanzenzellen, die Chlorophyll enthalten. Strukturell besitzen sie drei Membranen, von denen zwei eine äußere Hülle bilden: die äußere Membran, die innere Membran und den Intermembranraum. Das Innere besteht aus dem Stroma (enthält Ribosomen, Enzyme, DNA und geschlossene RNA-Moleküle) und dem Thylakoidraum.

Physiologie der Chloroplasten (Photosynthese)

In Chloroplasten findet die Photosynthese statt. Die Prozesse sind:

• In der Thylakoidmembran (Lichtreaktionen): Hier finden Reaktionen statt, die mit der Aufnahme von Sonnenenergie beginnen. Photosysteme sind beteiligt. Es kommt zur Photolyse von Wassermolekülen, die Elektronen bereitstellt. Eine Elektronentransportkette in dieser Membran nutzt die Elektronen aus dem Wasser, um NADP+-Moleküle zu reduzieren und NADPH zu bilden. Der Elektronentransport erzeugt einen elektrochemischen Protonengradienten vom Stroma in den Thylakoidraum, was die ATP-Synthese aus ADP induziert. Dieser Prozess, bekannt als Photophosphorylierung, findet am ATP-Synthase-Komplex der Thylakoidmembran statt.
• Im Stroma (Dunkelphase): Diese Phase ist nicht vom Licht abhängig. Hier werden das ATP und NADPH verwendet, um einfache Moleküle wie Kohlendioxid zu reduzieren und organische Moleküle (Glucose) zu produzieren.