Zellteilung, Transportmechanismen und Zellstruktur: Eine Übersicht

Zellteilung: Mitose und Zytokinese

Die Zellteilung umfasst die Kernteilung (Mitose) und die Zytoplasma-Teilung (Zytokinese).

Unterschiede in Mitose und Zytokinese zwischen Tier- und Pflanzenzellen

Mitose (Kernteilung)

• Pflanzenzellen: Es fehlen Zentriolen. Die Spindel wird aus Komponenten gebildet, die in Vesikeln des Golgi-Apparates gespeichert sind.
• Tierische Zellen: Die Spindel wird aus Zentriolen, die das Zentrosom bilden, synthetisiert.

Zytokinese (Zytoplasma-Teilung)

• Tierische Zellen: Es bildet sich ein kontraktiler Ring aus Aktin und Myosin an der Äquatorialplatte. Dieser Ring schnürt die Mutterzelle durch eine Teilungsfurche ab.
• Pflanzliche Zellen: Es bildet sich keine Teilungsfurche. An der Äquatorialplatte entsteht eine Trennwand, der Fragomoplast. Dieser entsteht durch die Fusion von Golgi-Vesikeln, die Zellwandkomponenten enthalten, und Resten der Spindel-Mikrotubuli. Der Fragomoplast wird durch Plasmodesmen (zytoplasmatische Brücken) perforiert, um die Kommunikation zwischen den Tochterzellen zu sichern.

Phasen der Mitose

Die Mitose unterteilt sich in vier Hauptphasen:

• Prophase: Das Chromatin kondensiert und wird als dicke Strukturen sichtbar. Der Nukleolus wird weniger sichtbar und die Kernhülle beginnt sich aufzulösen. Die Zentriolen bewegen sich zu den Polen und die Spindel bildet sich aus.
• Metaphase: Die Chromosomen richten sich entlang der Äquatorialebene der Zelle aus, wobei ihre Zentromere in dieser Ebene liegen.
• Anaphase: Die Schwesterchromatiden trennen sich am Zentromer und werden von den Spindelfasern zu den entgegengesetzten Polen gezogen. Die Zelle verlängert sich.
• Telophase: Um die Tochterkerne bilden sich neue Kernhüllen. Die Chromosomen werden wieder weniger sichtbar, während sich der Nukleolus neu bildet. Die Spindel löst sich auf und die Zytokinese ist fast abgeschlossen.

Zellulärer Transport über die Plasmamembran

Transportmechanismen für niedermolekulare Substanzen

Der Transport hängt davon ab, ob er entlang oder gegen den Konzentrations- bzw. elektrochemischen Gradienten erfolgt.

A. Passiver Transport (Entlang des Gradienten, ohne Energieaufwand)

Dieser erfolgt durch einfache Diffusion oder erleichterte Diffusion.

• Einfache Diffusion: Kleine, ungeladene, polare Moleküle (z.B. O₂, CO₂, Harnstoff, Ethanol) und lipophile Substanzen passieren direkt die Lipid-Doppelschicht. Die Geschwindigkeit ist proportional zur Konzentration. Auch Kanalproteine können beteiligt sein.
• Erleichterte Diffusion: Benötigt Transportproteine (Permeasen oder Carrier-Proteine) oder Ionophore. Die Transportrate folgt einer Michaelis-Menten-Kinetik und kann bei Sättigung des Transporters ein Maximum erreichen (z.B. Glukosetransport).

A.2. Aktiver Transport (Gegen den Gradienten, benötigt Energie/ATP)

Ermöglicht den Transport von Molekülen gegen ihren elektrochemischen Gradienten. Ein Beispiel ist die Natrium-Kalium-Pumpe (ATP-ase), die 3 Na⁺ aus der Zelle und 2 K⁺ in die Zelle pro hydrolysiertes ATP pumpt.

Transport von hochmolekularen Stoffen (Endozytose und Exozytose)

• Endozytose: Aufnahme von großen Makromolekülen oder Partikeln durch Membranverformung. Man unterscheidet:
  • Phagozytose: Aufnahme sichtbarer Partikel.
  • Pinocytose: Aufnahme von Flüssigkeit mit gelösten Stoffen.
• Exozytose: Ausschleusung von Substanzen aus der Zelle durch Verschmelzen von Vesikeln mit der Plasmamembran.

Zellzyklus und DNA-Replikation

Der Zellzyklus

Der Zellzyklus umfasst die Zeit von der Entstehung einer Zelle bis zu ihrer Teilung und besteht aus der Interphase (Wachstum und DNA-Verdopplung) und der Mitose (M-Phase).

Interphase

• G₁-Phase: Hohe Stoffwechselaktivität, Wachstum. Zellen können in G₀ eintreten (Differenzierung, z.B. Neuronen).
• S-Phase (Synthese): DNA-Replikation findet statt.
• G₂-Phase: Weiteres Wachstum, Synthese von RNA, Proteinen und Spindel-Mikrotubuli.

DNA-Replikation

• Zweck: Übertragung der genetischen Information, sodass beide Tochterzellen identische Erbinformationen erhalten.
• Zeitpunkt: Erfolgt während der S-Phase der Interphase.
• Mechanismus: Die Replikation ist semikonservativ (jede neue DNA-Doppelhelix besteht aus einem alten und einem neuen Strang) und bidirektional (beginnt an Replikationsursprüngen und läuft in beide Richtungen).
• Primer und Okazaki-Fragmente: Die DNA-Polymerase benötigt einen Primer (kurzes RNA-Molekül) als Startpunkt. Auf dem Folgestrang entstehen diskontinuierlich Okazaki-Fragmente (kurze DNA-Stücke), die später verbunden werden müssen.

Unterschiede zwischen Mitose und Meiose

Zelluläre Organellen und Struktur

Mikrotubuli

• Struktur: Zylindrische Formationen (250 Å Durchmesser), aufgebaut aus kugelförmigen Proteinen, den Tubulinen (α- und β-Tubulin), die spiralförmig angeordnet sind (13 Protofilamente pro Umdrehung).
• Beteiligte Komponenten: Sie sind Bestandteile des Zytoskeletts, bilden den Spindelapparat (wichtig für Chromosomentrennung), die Basis von Wimpern und Geißeln und sind am intrazellulären Transport beteiligt.
• Andere Zytoskelett-Elemente: Aktin-Mikrofilamente (Zellbewegungen) und Intermediärfilamente (Zellformstabilität).

Zilien und Flagellen (Wimpern und Geißeln)

• Strukturzonen: Basalkörperchen (Anker, ähnelt Zentriole, neun Mikrotubuli-Tripletts), Plaque (Austrittsstelle) und Axonem (9+2-Anordnung peripherer Mikrotubuli-Paare um ein zentrales Paar).

Zellorganellen mit Doppelmembran

• Kern: Enthält das genetische Material und steuert die Zellfunktionen.
• Mitochondrien: Ort der aeroben Zellatmung (Krebs-Zyklus findet in der Matrix statt).
• Chloroplasten: Ort der Photosynthese in Pflanzenzellen.

Zellorganellen mit Einfachmembran

• Endoplasmatisches Retikulum (ER): Synthese und Transport von Molekülen.
  • Raues ER: Mit Ribosomen besetzt, Synthese und Modifikation von Proteinen (Glykosylierung beginnt hier).
  • Glattes ER: Synthese, Speicherung und Transport von Lipiden, Entgiftung.
• Golgi-Apparat: Modifikation, Sortierung und Verpackung von Proteinen und Lipiden (z.B. Bildung von Lysosomen).
• Lysosomen: Enthalten hydrolytische Enzyme zur zellulären Verdauung. Primäre Lysosomen (aus Golgi) fusionieren mit Phagosomen zu sekundären Lysosomen (heterophagische Vakuole).
• Vakuolen: Hauptsächlich in Pflanzenzellen, halten Zellvolumen und Turgor.

Ribosomen

• Struktur: Bestehen aus zwei ungleichen Untereinheiten (groß und klein). Eukaryotische Ribosomen sind 80S, prokaryotische 70S.
• Zusammensetzung: rRNA und Proteine.
• Funktion: Proteinsynthese (Translation).
• Lokalisation: Frei im Zytoplasma, an das raue ER gebunden, in Mitochondrien und Chloroplasten (Eukaryoten); frei im Zytoplasma (Prokaryoten).

Peroxisomen

Membrangebundene Organellen, die Oxidationsreaktionen durchführen, wobei toxisches Wasserstoffperoxid entsteht, das durch das enthaltene Enzym Katalase zu Wasser und Sauerstoff abgebaut wird.

Plasmamembran und Interzelluläre Kommunikation

Struktur und Eigenschaften der Plasmamembran

• Lipide: Hauptsächlich Phospholipide (bilden die Doppelschicht) und Cholesterin (reguliert die Fluidität/Steifigkeit).
• Proteine: Können integral (durchdringen die Doppelschicht) oder peripher (an der Oberfläche gebunden) sein. Sie sind für Transport, Erkennung und Signalübertragung zuständig.
• Asymmetrie: Die Lipid- und Proteinzusammensetzung ist auf beiden Seiten unterschiedlich. Oligosaccharide (Glykokalix) befinden sich fast ausschließlich auf der Außenseite.
• Fluid-Mosaik-Modell: Beschreibt die Membran als dynamische Struktur, in der Lipide und Proteine seitlich beweglich sind.
• Membrangetrennte Organellen: Golgi-Apparat, ER, Mitochondrien, Lysosomen, Vakuolen (sowie der Kern).

Interzelluläre Kommunikation

• Tierische Zellen: Direkte Kommunikation erfolgt über Gap Junctions (gebildet durch Connexone), die den direkten Austausch kleiner Moleküle ermöglichen.
• Pflanzliche Zellen: Direkte Kommunikation erfolgt über Plasmodesmen, dünne Zytoplasmakänäle, die die Zellwände benachbarter Zellen durchziehen.

Stoffwechselzyklen

Krebs-Zyklus (Citratzyklus)

• Physiologische Bedeutung: Zentraler Schritt der aeroben Zellatmung zur Gewinnung von Energie (ATP-Vorläufern).
• Ort: Mitochondrien-Matrix (bei Eukaryoten).

Calvin-Zyklus

• Physiologische Bedeutung: Die dunkle Phase der Photosynthese; Reduktion von CO₂ zu organischen Molekülen unter Nutzung der Energie aus der Lichtreaktion.
• Ort: Chloroplasten-Stroma (in Pflanzenzellen).

Glykolyse

Abbau von Glukose zu Pyruvat. Findet im Hyaloplasma statt und ist der älteste Weg zur Energiegewinnung.