Zellorganellen und Zellzyklus

Chloroplasten

Chloroplasten sind Zellorganellen, die in eukaryotischen photosynthetischen Organismen vorkommen und an der Photosynthese beteiligt sind. Sie werden von einer Hülle aus zwei konzentrischen Membranen begrenzt. Im Inneren befinden sich Vesikel, die Thylakoide, in denen Pigmente (wie Chlorophyll, ein essentieller Bestandteil) und andere Moleküle organisiert sind, die Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Die Photosynthese läuft in zwei Phasen ab: der Lichtphase und der Dunkelphase. Chloroplasten sind auch für die Biosynthese von Fettsäuren aus Kohlenhydraten und die Reduktion von Nitrat zu Nitrit verantwortlich.

Raues Endoplasmatisches Retikulum (RER)

Das RER ist eine Organelle, die hauptsächlich für die Synthese und den Transport von Proteinen zuständig ist. Es kommt nur in eukaryotischen Zellen vor. Es besteht aus einem Netzwerk von Kanälen und Zisternen, die sich im gesamten Zytoplasma verteilen. Es handelt sich um abgeflachte Säcke, durch die alle Proteine zirkulieren, bevor sie zum Golgi-Apparat gelangen. Es besteht eine physische Verbindung zwischen dem RER und dem SER (glattes endoplasmatisches Retikulum). Der Begriff „rau“ bezieht sich auf das Erscheinungsbild dieser Organelle aufgrund der zahlreichen Ribosomen auf ihrer Membranoberfläche. Das RER grenzt an die Kernhülle und ist mit ihr verbunden, sodass die Boten-Ribonukleinsäuren (mRNA), die die Informationen für die Proteinsynthese enthalten, effektiv zu den Ribosomen gelangen können. Es besteht aus einem Stapel von Membranen, an deren Außenwand Ribosomen angeheftet sind.

Das RER ist an der Synthese aller Proteine beteiligt, die zur Plasmamembran transportiert oder aus der Zelle ausgeschieden werden sollen. Es führt auch Modifikationen an diesen Proteinen durch. Darüber hinaus werden Lipide und integrale Proteine der Zellmembranen im RER synthetisiert.

Glattes Endoplasmatisches Retikulum (SER)

Das SER ist eine Zellorganelle, die aus einem Röhrensystem von Zisternen, Tubuli und abgeflachten Membransäcken besteht. Es ist am zellulären Transport und an der Synthese von Triglyceriden, Phospholipiden und Steroiden beteiligt. Es besitzt auch entgiftende Enzyme, die Chemikalien, Alkohol und andere Substanzen metabolisieren. Im Gegensatz zum RER fehlen dem glatten ER die an die Membran gebundenen Ribosomen. Tatsächlich gibt es verschiedene Varianten des SER mit unterschiedlichen Funktionen; gemeinsam sind ihnen das glatte Aussehen und das Fehlen von Ribosomen.

Funktionen des SER

• Synthese von Hormonen in den Gonaden und der Nebennierenrinde.
• Entgiftung verschiedener organischer Verbindungen wie Barbiturate oder Ethanol in der Leber.
• Freisetzung von Glukose.
• Speicherung und regulierte Freisetzung von Calcium-Ionen (Ca²⁺) in bestimmten Zellen (z. B. als sarkoplasmatisches Retikulum in Muskelzellen).
• Lipidsynthese.

Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat ist Teil des Endomembransystems und kommt in allen eukaryotischen Zellen vor, mit Ausnahme von Säugetier-Erythrozyten. Er besteht aus einem oder mehreren Dictyosomen. Ein Dictyosom ist ein Stapel abgeflachter Membransäcke (Zisternen), die von Vesikeln umgeben sind. Der Golgi-Apparat kann in drei funktionelle Regionen unterteilt werden:

• cis-Golgi-Netzwerk (CGN): Die innerste Region, nahe am ER. Es empfängt Übergangsvesikel mit Proteinen, die im RER synthetisiert und in dessen Lumen transportiert wurden. Diese Vesikel transportieren die Proteine zur nächsten Region.
• Mediale Zisternen: Eine Übergangszone zwischen cis- und trans-Region.
• trans-Golgi-Netzwerk (TGN): Die äußerste Region, näher an der Plasmamembran. Hier entstehen Sekretvesikel. Die Membranen des TGN und der Plasmamembran haben eine ähnliche Zusammensetzung.

Zellkern

Der Zellkern kommt in allen eukaryotischen Zellen außer den roten Blutkörperchen von Säugetieren vor. Er setzt sich aus der Kernhülle und dem Kernplasma zusammen, in dem sich das Chromatin und der Nukleolus befinden. Seine Form ist variabel und hängt vom Zellzyklus und Zelltyp ab. Im Allgemeinen ist seine Größe proportional zur Zelle und nimmt etwa 10 % des Gesamtvolumens ein. In embryonalen Zellen nimmt er eine zentrale Position ein, in Fettzellen eine laterale und in sekretorischen Zellen eine basale Position. Die Kernhülle definiert zwei funktionelle Kompartimente innerhalb der Zelle: den Ort der DNA-Transkription in RNA (im Kern) und den Ort der RNA-Translation in Protein (im Zytoplasma).

Bestandteile des Zellkerns

• Chromatin: Die Gesamtheit aus DNA, Histonen und Nicht-Histon-Proteinen im Zellkern eukaryotischer Zellen; es bildet die eukaryotischen Chromosomen. Man unterscheidet Euchromatin (weniger kompakt, transkriptionell aktiv in der Interphase) und Heterochromatin (stärker kondensiert, erscheint in der Interphase oft als Chromozentren).
• Kernplasma (Nukleoplasma): Eine halbflüssige Matrix, die sowohl Chromatin als auch Nicht-Chromatin-Material (Proteine) enthält. Es besteht aus Interchromatin-Granula (im gesamten Kern verteilt), Perichromatin-Granula (bestehend aus rRNA-Fibrillen, an der Peripherie des Chromatins) und kleinen nuklearen Ribonukleoprotein-Partikeln (snRNPs).
• Nukleolus (Kernkörperchen): Die Hauptfunktion des Nukleolus ist die Produktion und der Zusammenbau ribosomaler Untereinheiten. Der Nukleolus ist ungefähr kugelförmig und wird von einer Schicht kondensierten Chromatins umgeben. Er ist die auffälligste heterochromatische Region des Zellkerns. Keine Membran trennt den Nukleolus vom Kernplasma.

Zellzyklus

Interphase

Dies ist der Zeitraum zwischen den Zellteilungen. Es ist die längste Phase des Zellzyklus und nimmt fast 95 % der Zeit ein. Sie verläuft zwischen zwei Mitosen und gliedert sich in drei Stadien:

• G1-Phase: Die erste Phase des Zellzyklus, in der Zellwachstum sowie Protein- und RNA-Synthese stattfinden. Es ist der Zeitraum zwischen dem Ende der Mitose und dem Beginn der DNA-Synthese. Sie dauert zwischen 6 und 12 Stunden. Während dieser Zeit verdoppelt die Zelle ihre Größe und Masse durch die kontinuierliche Synthese all ihrer Komponenten, als Ergebnis der Expression von Genen, die für ihre spezifische Funktion notwendige Proteine kodieren.
• S-Phase: Die zweite Phase des Zyklus, in der die DNA-Replikation (Synthese) stattfindet. Danach besteht jedes Chromosom aus zwei identischen Chromatiden. Mit der Verdopplung der DNA enthält der Kern die doppelte Menge an DNA und Kernproteinen im Vergleich zum Anfang.
• G2-Phase: Die dritte Wachstumsphase des Zellzyklus, in der weiterhin RNA und Proteine synthetisiert werden. Am Ende dieser Periode sind unter dem Mikroskop Veränderungen in der Zellstruktur zu beobachten, die den Beginn der Zellteilung anzeigen. Sie endet, wenn das Chromatin der Zelle zu Beginn der Mitose zu kondensieren beginnt.

M-Phase (Mitose und Zytokinese)

Die Zellteilung, bei der eine Vorläuferzelle (eine eukaryotische, somatische Zelle) sich in zwei identische Tochterzellen teilt. Diese Phase umfasst die Mitose, die wiederum unterteilt wird in: Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase; sowie die Zytokinese, die bereits in der Telophase beginnt.