Zellorganellen: Struktur, Funktion und Stoffwechselprozesse

Golgi-Apparat: Aufbau und Reifung

Der Golgi-Apparat besteht aus flach ausgebildeten Einheiten, den sogenannten Zisternen, die durch glatte Membranen gebildet werden. Fünf bis acht Zisternen bilden eine Gruppe, die als Dictyosom bezeichnet wird. An den Rändern der Zisternen findet eine Abschnürung statt, bei der Vesikel mit Produkten freigesetzt werden.

Dictyosomen weisen eine zweiseitige Ausbildung auf:

• Die cis-Seite (Ausbildungsseite)
• Die trans-Seite (Reifungsseite)

Diese Seiten entstehen aus korrespondierenden Bläschen.

Lysosomen: Hydrolytische Enzyme und pH-Wert

Lysosomen sind charakteristisch für tierische Zellen. Sie besitzen eine glatte Membran und enthalten im Inneren hydrolytische Enzyme (etwa 40 Arten) für ein breites Spektrum der Verdauung von Stoffen.

Wichtige Eigenschaften der Lysosomen

• Das Innere der Lysosomen muss einen pH-Wert von ca. 5 aufrechterhalten, im Gegensatz zum zellulären Cytosol (pH = 7,2).
• Sie werden aus Einstülpungen der Membranen des Golgi-Apparates gebildet.

Typen von Lysosomen

Primäre Lysosomen: Vesikel, die mit Enzymen beladen sind, bevor sie ihre Funktion in der Zelle aufnehmen.

Sekundäre Lysosomen: Sie entstehen, wenn primäre Lysosomen mit aktiven Teilen gekoppelt werden, die dann von ihren Enzymen angegriffen und verdaut werden:

• Wenn externe Partikel (Phagosomen) und Lysosomen verschmelzen, entsteht ein Phagolysosom.
• Wenn interne Partikel (Autophagosomen) und Lysosomen verschmelzen, entsteht ein Autophagolysosom.

Funktion: Intrazelluläre Verdauung von externen oder internen Partikeln. Die Autophagie ist sehr nützlich, um die Zelle unter Nüchternbedingungen mit Nahrung zu versorgen.

Vakuolen: Speicher und Turgor

Vakuolen sind in der Regel groß und werden durch eine Einheitsmembran, den Tonoplast, gebildet, in der flüssige Produkte gespeichert werden. Sie sind besonders stark in Pflanzenzellen entwickelt (50–95% des Zellvolumens), wo sie den Wassergehalt regulieren, das Zellvolumen konstant halten und den Turgor (Zelldruck) aufrechterhalten. In Tier- und Pilzzellen sind sie kleiner.

Entstehung und Speicherfunktion

Vakuolen entstehen durch die Expansion und Ansammlung von Flüssigkeit, die ursprünglich aus dem rauen Endoplasmatischen Retikulum (REL) stammt, oder sie können vom Golgi-Apparat stammen.

Sie können folgende Stoffe speichern:

• Nährstoffreserven (Stärke, Proteine, Fette)
• Mineralsalzkristalle wie Calciumoxalat
• Pigmente (Anthocyane, die Blumen Farbe verleihen)
• Pflanzenessenzen, Wasser, Luft
• Giftige Stoffe, die für die Zelle gefährlich sein könnten, darunter:
  • Alkaloide (Atropin und Nikotin)
  • Glykoside (Digitalis, Amygdalin und Opium)

Ribosomen: Die Proteinproduzenten

Ribosomen sind Partikel ohne Membranen. Sie sind elliptisch oder sphäroidal und kommen in allen Zellen vor, fehlen jedoch in reifen Spermien und sind in roten Blutkörperchen nur sehr spärlich vorhanden.

Vorkommen der Ribosomen

• Frei im Zytoplasma (isoliert oder zu Polysomen zusammengeschlossen)
• An der Außenseite des rauen Endoplasmatischen Retikulums (RER) oder der äußeren Kernmembran
• Frei in der Matrix der Mitochondrien und Chloroplasten

Struktur und Größe

Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, die durch einen queren Spalt getrennt sind. Die beiden Untereinheiten werden im Nucleolus gebildet, wo sie sich mit ihren beiden Komponenten, der rRNA und ribosomalen Proteinen, verbinden.

• Prokaryotische Zellen: 70S (ca. 29 nm lang, 21 nm breit)
• Eukaryotische Zellen: 80S (ca. 32 nm lang, 22 nm breit)

Funktion: Ribosomen sind an der Synthese von Proteinen beteiligt, indem sie Aminosäuren in einer vorgegebenen Reihenfolge verknüpfen. Proteine, die von freien Ribosomen im Zytoplasma synthetisiert werden, verbleiben im Cytosol. Ribosomen, die am RER befestigt sind, synthetisieren Proteine, die in andere Organellen transportiert oder außerhalb der Zelle sezerniert werden.

Mitochondrien: Zentrum der Zellatmung

Mitochondrien sind Zellorganellen, die in allen Eukaryoten und aeroben Zellen vorkommen. Sie sind meist kugelig oder oval geformt. Die Gesamtheit der Mitochondrien (bis zu 2000 pro Zelle) wird als Chondriom bezeichnet.

Struktur der Mitochondrien

Mitochondrien besitzen zwei Membranen:

• Eine glatte äußere Membran.
• Eine innere Membran mit zahlreichen Einfaltungen (Cristae).

Der innere Hohlraum wird als Matrix bezeichnet. Dort befinden sich:

• Mitoribosomen (70S Ribosomen)
• Zirkuläre DNA-Moleküle
• Enzyme für den Krebs-Zyklus und die Oxidation von Fettsäuren
• Enzyme für die DNA-Replikation

In der strukturierten inneren Membran sind dreigliedrige Einheiten, die ATP-Synthase, herausragend. Dieses Enzym katalysiert die Phosphorylierung von ADP zu ATP.

Funktion: Energieproduktion

Die Hauptfunktion der Mitochondrien ist die Zellatmung (Respiration), bei der Energie in Form von ATP gewonnen wird:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + Energie (ATP)

Organische Moleküle, die in den Mitochondrien verstoffwechselt werden, sind unter anderem Fettsäuren und Pyruvat. Pyruvat wird zu Acetyl-CoA umgewandelt und dieses im Krebs-Zyklus zu CO₂ oxidiert. Alle diese Oxidationsprozesse sind mit der Bildung von NADH + H⁺ und FADH₂ verbunden, die in die Atmungskette eintreten. Die Freisetzung von H⁺ und die Weitergabe von Elektronen an die ATP-Synthase führen zur Bildung von ATP. Mitochondrien sind somit die Kraftwerke der Zelle.