Zellorganellen: Struktur, Funktion & Vorkommen im Überblick

Plasmamembran

Zelltypen

Prokaryoten und Eukaryoten

Struktur der Plasmamembran

• Lipid-Doppelschicht (Phospholipide, Cholesterin)
• Proteine (vollständig die Doppelschicht durchquerend: *Transmembranproteine*; teilweise: *periphere Proteine*)
• Kohlenhydrate (Oligosaccharide)

Funktionen der Plasmamembran

1. Die Zellmembran wirkt als semipermeable Barriere, die den Übergang weniger Moleküle ermöglicht und die meisten in ihr produzierten Produkte zurückhält.
2. Schutz
3. Unterstützung der subzellulären Kompartimentierung
4. Regulation des Transports in und aus der Zelle sowie der subzellulären Domänen
5. Dient als Rezeptor, der Signale bestimmter Moleküle erkennt und das Signal in das Zytoplasma überträgt.
6. Ermöglicht die Zellerkennung.
7. Bietet Ankerpunkte für Zytoskelett-Filamente oder Komponenten der extrazellulären Matrix, was unter anderem die Aufrechterhaltung der Zellform ermöglicht.
8. Dient als stabiler Ort für die enzymatische Katalyse.
9. Ermöglicht den Durchgang durch Membranen verschiedener Zellen (*Gap Junctions*).
10. Reguliert die Membranfusion mit einer Membran mithilfe spezialisierter Verbindungen (*Junctions*).
11. Ermöglicht die gerichtete Zellmotilität.

Mitochondrien

Zelltypen

Eukaryoten

Struktur der Mitochondrien

Sie sind zwischen 0,5 und 1 Mikrometer lang und von einer Doppelmembran umgeben. Die glatte äußere Membran ist durch einen Flüssigkeitsfilm von der inneren Membran getrennt. Die innere Membran, die in Strukturen namens *Cristae* gefaltet ist, umschließt eine flüssige Matrix, die eine große Menge an Enzymen oder biologischen Katalysatoren enthält. Innerhalb dieser flüssigen Matrix befindet sich die mitochondriale Desoxyribonukleinsäure (mtDNA), die Informationen zur direkten Proteinsynthese enthält.

Funktionen der Mitochondrien

Ihre Hauptfunktion ist die Energiegewinnung für die Zellaktivität durch Prozesse der aeroben Atmung.

Golgi-Apparat

Zelltypen

Eukaryoten

Struktur des Golgi-Apparats

Der Golgi-Apparat ist ein membranöses Organell, das aus einer Reihe von scheibenförmigen und abgeflachten *Zisternen* (Säcken) besteht, die durch eine Einheitsmembran abgegrenzt und an den Enden leicht erweitert sind, sowie verbundenen *Vesikeln*.

Es gibt zwei Seiten oder Flächen:

• Die *Cis*-Seite oder proximale Seite (extern oder Bildungsseite) ist die konkave Seite der Säcke, die von Zisternen des endoplasmatischen Retikulums umgeben sind und durch Sprossung Vesikel abgeben. Diese Vesikel werden als *Übergangsvesikel* bezeichnet und sind mit Produkten beladen, die im endoplasmatischen Retikulum gespeichert wurden.
• Die *Trans*-Seite oder distale Seite (Reifungsseite) hat eine konkave Form und ist mit der Bildung von *Sekretvesikeln* verbunden.

Funktionen des Golgi-Apparats

Der Golgi-Apparat ist beteiligt an:

1. Glykosylierung (Kohlenhydratbindung) von Proteinen und Lipiden aus dem endoplasmatischen Retikulum, die zu Produkten der Zellsekretion oder Membranbestandteilen werden;
2. Sekretion und Akkumulation von Substanzen;
3. Membranproduktion;
4. Transport von Molekülen durch das Zytoplasma (eingeschlossen in Vesikel) und die Bildung von Lysosomen;
5. Bildung des Akrosoms bei Spermien.

Peroxisomen

Zelltypen

Eukaryoten

Struktur der Peroxisomen

Sie weisen eine heterogene Morphologie auf, sind aber im Wesentlichen kreisförmig geformt. Sie sind von einer Membran umgeben, die eine ziemlich homogene Matrix umschließt. Im Inneren einiger Peroxisomen können Kristallstrukturen beobachtet werden, die dem Enzym Urat-Oxidase entsprechen.

Je nach Größe werden sie wie folgt klassifiziert:

• Kleine oder Mikroperoxisomen: 0,15 Mikrometer bis 0,5 Mikrometer
• Große Peroxisomen: Nur in bestimmten Zelltypen, wie z.B. Hepatozyten, beobachtet. Sie haben eine Größe von mehr als 0,5 Mikrometer.

Funktionen der Peroxisomen

Katalyse der Produktion und des Abbaus von Wasserstoffperoxid (H₂O₂).

Lysosomen

Zelltypen

Eukaryoten

Struktur der Lysosomen

Lysosomen sind Granula, die Enzyme speichern. Diese Enzyme werden im endoplasmatischen Retikulum synthetisiert, zum Golgi-Apparat transportiert und anschließend freigesetzt, um primäre Lysosomen zu bilden. Ein primäres Lysosom enthält wahrscheinlich ein einzelnes Enzym, während ein sekundäres Lysosom die vollständige Enzymausstattung aufweist.

Eine Art sekundäres Lysosom oder Vakuole ist das Verdauungssystem *Heterophagosom*. Es entsteht durch die Fusion eines primären Lysosoms mit einem Phagosom nach einem Prozess der Phagozytose oder Pinozytose.

Funktionen der Lysosomen

1. Abbau von Substanzen
2. Beteiligung an Endozytose-Vorgängen innerhalb der Zelle.
3. Regulation der Zellsekretionsprodukte.

Zytoskelett

Zelltypen

Eukaryoten

Struktur des Zytoskeletts

Das Zytoskelett besteht aus drei primären Fasernystemen: *Mikrofilamenten*, *Mikrotubuli* und *Intermediärfilamenten*.

Funktionen des Zytoskeletts

1. Zellstabilität und Zellform
2. Zellbewegung
3. Zellteilung
4. Bewegung der inneren Organellen
5. Regulation des Stoffwechsels

Ribosomen

Zelltypen

Prokaryoten und Eukaryoten

Struktur der Ribosomen

Ribosomen sind membranlose, supramolekulare Komplexe, die aus zwei Teilen bestehen: einer großen und einer kleinen Untereinheit. Beide bestehen aus RNA und Proteinen.

Funktionen der Ribosomen

Proteinsynthese oder -verarbeitung.

Zentriolen

Zelltypen

Eukaryotische Tierzellen

Struktur der Zentriolen

Das Zentrosom ist der Bereich in der Zelle, in dem Mikrotubuli entstehen. Es besteht aus zwei kleinen Organellen, den Zentriolen, die jeweils aus einem Ring von neun Mikrotubuli-Tripletts aufgebaut sind. Beide Zentriolen liegen senkrecht zueinander.

Funktionen der Zentriolen

1. Verantwortlich für die Bildung der Teilungsspindel.
2. Bildung von Kinetosomen und Axonemen in Zilien und Geißeln.

Chloroplasten

Zelltypen

Eukaryotische Pflanzenzellen

Struktur der Chloroplasten

Aufbau:

1. Äußere Membran
2. Innere Membran: Mit selektiver Permeabilität.
3. Membranöse Säcke:
   • Abgeflachte Säcke entlang der Achse des Chloroplasten (*Thylakoidmembran*)
   • Kleinere Säcke in Stapeln (*Grana*)

   Beide sind mit einer kolloidalen Substanz gefüllt: dem *Intrathylakoidraum*.

4. Kolloidale Substanz: *Stroma*; enthält Substanzen ähnlich der mitochondrialen Matrix sowie ringförmige DNA.
5. Ribosomen (70S-Typ).
6. Reservestoffe: Wie Stärke...

Funktionen der Chloroplasten

Anaboler Prozess, bei dem organische Substanzen durch Photosynthese hergestellt werden.

Raues Endoplasmatisches Retikulum (RER)

Zelltypen

Eukaryoten

Struktur des RER

Ein komplexes System aus Röhren, Zisternen und Säcken, die aus biologischen Membranen bestehen und einen großen Teil der Zelle einnehmen können. Es ist mit Ribosomen besetzt.

Funktionen des RER

• Proteinsynthese
• Durchführung von Glykosylierungen (Anlagerung von Kohlenhydraten) an Proteine.

Die im RER synthetisierten Proteine werden für verschiedene Zwecke verwendet:

1. Bildung von zytoplasmatischen Membranen (RER, SER, Golgi-Apparat und Kernhülle) zusammen mit den Enzymen dieser Membranen oder den darin enthaltenen Proteinen.
2. Zelluläre Sekretion von Proteinen: Die im RER synthetisierten Proteine gelangen zum Golgi-Apparat und werden von dort in sekretorischen Vesikeln freigesetzt. Diese Vesikel fusionieren mit der Plasmamembran und entleeren ihren Inhalt (konstitutiv und reguliert) durch Exozytose.
3. Synthese von sauren Hydrolase-Enzymen (für Lysosomen): Diese werden vom Golgi-Apparat freigesetzt und bilden primäre Lysosomen oder treten in andere Lysosomenformen ein.
4. Möglicherweise werden Proteine für die Peroxisomenmembran im RER synthetisiert, obwohl diese Organellen auch Enzyme enthalten, die von freien Ribosomen produziert werden.

Glattes Endoplasmatisches Retikulum (SER)

Zelltypen

Eukaryoten

Struktur des SER

Ein komplexes System aus Röhren, Zisternen und Säcken, die aus biologischen Membranen bestehen und einen großen Teil der Zelle einnehmen können. Das SER ist nicht mit Ribosomen besetzt und seine Strukturen sind eher tubulär geformt.

Funktionen des SER

1. Synthese von Lipiden (Phospholipide – Fettsäuren für Phospholipide stammen aus dem Zytosol – und Cholesterin für die Zellmembran).
2. Der erste Schritt der Steroidhormonsynthese findet in den Mitochondrien statt. Aus diesem Grund stehen Mitochondrien in engem Zusammenhang mit dem SER. Die folgenden Schritte werden im SER durchgeführt und führen zur Bildung von: *Testosteron*, *Östradiol* und *Corticosteron*.
3. Entgiftung: Giftige Stoffe werden abgebaut oder neutralisiert. Viele fettlösliche Gifte (z.B. Medikamente, Insektizide) sowie viele fettlösliche Stoffwechselgifte werden hauptsächlich im SER der Leber abgebaut. Giftige Substanzen werden in den SER-Membranen durch Oxidation und anschließende Neutralisation inaktiviert.
4. Aktive Beteiligung an der Muskelkontraktion.

Vakuolen

Zelltypen

Eukaryoten

Struktur der Vakuolen

Vakuolen sind zelluläre Strukturen, die in Anzahl und Form variieren. Sie bestehen meist aus einer Membran und einem inneren Inhalt. Es gibt Unterschiede zwischen den Vakuolen von Pflanzen- und Tierzellen: Pflanzenzellen besitzen häufig eine einzelne oder wenige große Vakuolen, während Tierzellen in der Regel kleinere Vakuolen aufweisen.

Funktionen der Vakuolen

Speicherung von Wasser, Nährstoffen, Abfallprodukten und Mineralien.

Zellwand

Zelltypen

Eukaryotische Pflanzenzellen

Struktur der Zellwand

Sie besteht hauptsächlich aus einem Kohlenhydratpolymer namens *Zellulose*, einem Polysaccharid, und kann auch als Kohlenhydratspeicher in der Zelle dienen.

Funktionen der Zellwand

1. Bestimmt die mechanische Festigkeit der Pflanze und ermöglicht es diesen Strukturen, große Höhen zu erreichen.
2. Wirkt als Klebstoff, um sich mit anderen Zellen zu verbinden. Dies beeinflusst die Zellbewegung im Gegensatz zu tierischen Zellen und bestimmt maßgeblich, wie die Pflanze wächst und sich entwickelt.
3. Wirkt als Exoskelett, das die Zellform kontrolliert und die Entwicklung eines hohen Turgordrucks ermöglicht.
4. Die Morphogenese von Pflanzen hängt weitgehend von der Kontrolle der Zellwand ab, da das expansive Wachstum von Pflanzenzellen hauptsächlich durch die Fähigkeit der Zellwand zur Expansion begrenzt ist.
5. Ist für normale Wasserbeziehungen der Pflanze notwendig, da die Zellwand die Beziehung zwischen zellulärem Turgordruck und Zellvolumen bestimmt.
6. Wirkt als Diffusionsbarriere, die die Größe der Makromoleküle begrenzt, die von außerhalb die Zellmembran erreichen können, und ist das größte Hindernis für das Eindringen von Krankheitserregern.

Zellkern

Zelltypen

Eukaryoten

Struktur des Zellkerns

Der Interphase-Zellkern besteht aus mindestens den folgenden Teilen:

• *Kernhülle*: Sie besteht aus einer Doppelmembran (zwei Lipid-Doppelschichten), die durch das Zytoskelett verstärkt ist. Sie ist von Kernporen durchbrochen, durch die der Kern mit dem Zytosol verbunden ist. Die äußere Membran der Kernhülle ist extern mit Ribosomen besetzt und stellt eine Fortsetzung des rauen endoplasmatischen Retikulums dar. Die Kernhülle wird durch zwei Rahmen aus Intermediärfilamenten verstärkt: einer liegt an ihrer inneren Oberfläche (die *Kernlamina*), und ein anderer befindet sich auf der zytosolischen Seite der äußeren Membran.
• *Chromatin*: Es ist die Form der Erbsubstanz während der Interphase des Zellzyklus. Es besteht aus DNA, die mit Proteinen assoziiert ist.
• *Karyoplasma* (auch als Karyolymph bezeichnet): Dies ist das undifferenzierte innere Milieu, das den Kern ausfüllt und seine Komponenten umgibt, ähnlich dem Zytosol oder Hyaloplasma.
• *Nukleolus* (Kernkörperchen): Ein oder mehrere kugelförmige Gebilde, die für die Synthese der Hauptbestandteile der Ribosomen und deren teilweise Assemblierung verantwortlich sind. Diese Bestandteile bestehen aus RNA und basischen Proteinen. Der Nukleolus hat zwei Hauptbereiche: die *granuläre Region*, die aus RNA-Granula besteht, und die *fibrilläre Region*, die aus RNA-Strängen gebildet wird. Ein dritter Bereich, der schwer zu beobachten ist, ist der *chromosomale Teil des Nukleolus*, der in DNA-Strängen gefunden wird.

Funktionen des Zellkerns

1. Steuert die Zellaktivität, da er das genetische Programm enthält, das die Entwicklung und Funktion der Zelle steuert.
2. Ist der Ort der Replikation (DNA-Verdopplung) und Transkription (RNA-Synthese), während die Translation im Zytoplasma stattfindet. Bei Prokaryoten laufen diese Prozesse im selben Zellkompartiment ab.