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Die Zelle

Abstract

Zellen sind die kleinsten Bau- und Funktionseinheiten lebender Organismen. Auch die Zelle selbst ist schon ein lebender Organismus (man denke an Bakterienzellen oder Protozoen); häufig lagern sich jedoch Zellen zu Geweben oder Organismen zusammen.

Alle Zellen sind von einer Membran umgeben, die aus einer Lipiddoppelschicht mit eingelagerten Proteinen besteht. Vom Aufbau her unterscheidet man prokaryotische von eukaryotischen Zellen. Prokaryotische Zellen haben keinen Zellkern und keine membranumgrenzten Organellen. Eukaryotische Zellen hingegen sind sehr komplex aufgebaut und enthalten neben dem Zellkern eine Vielzahl von Organellen, die hochspezifische Funktionen erfüllen. Außerdem wird ihr Zytosol von einem Netz aus Filamenten durchzogen, dem sog. Zytoskelett. Dieses ist wichtig für Transportvorgänge und die Stabilität der Zelle.

Zelltypen

Man unterscheidet prokaryotische von eukaryotischen Zellen. Prokaryoten sind zellkernlose Einzeller, zu denen bspw. Bakterien, Blaualgen und Archaebakterien zählen. Als Eukaryoten werden alle Zellen bezeichnet, die einen Zellkern und andere Zellorganellen besitzen. Häufig schließen sie sich zu mehrzelligen Verbänden zusammen ("Organismen" wie Pflanzen, Tiere, Pilze); es gibt aber auch einzellige Eukaryoten (Protozoen). Eukaryotische Zellen sind wesentlich größer (100–10.000-fach) als prokaryotische Zellen und weisen einen deutlich komplexeren Organisationsgrad auf.

Eukaryoten Prokaryoten
Zellkern
  • Vorhanden
  • Nicht vorhanden

Speicherort der DNA

Speicherform der DNA
  • Ringförmiges Bakterienchromosom
  • Plasmide (kleine zusätzliche DNA-Ringe)
Anteil nicht-codierender DNA
  • 70–90% (niedrige Gendichte)
  • 5–25% (hohe Gendichte)

Äußere Begrenzung

Kompartimentierung
  • Durch Membranen vom Zytosol abgetrennte Reaktionsräume
  • Keine Kompartimentierung
Fortbewegungsorgan (Flagellum/Geißel)
  • Liegen intrazellulär und stülpen sich nach außen vor
  • Extrazellulär angelegt
Zytoskelett
  • Vorhanden
  • Nicht vorhanden

Prokaryotische Zellen haben keinen Zellkern!

"Penicilline":
Die Zellwand ist ein wunder Punkt der Bakterien. Wird ihr Aufbau oder ihr Erhalt gestört, ist die Zelle nicht mehr lebensfähig. Die Immunabwehr des Menschen macht sich dies im Kampf gegen die Bakterien zunutze. So zerstört das Protein Lysozym die Mureinbindungen in der Zellwand vor allem grampositiver Bakterien. Auch medikamentös wird an diesem Punkt angesetzt: Die Penicilline hemmen die Mureinsynthese und -vernetzung. Gramnegative Bakterien sind hingegen aufgrund ihrer zusätzlichen Zellmembran nahezu unempfindlich gegen Lysozym und Penicilline.

Zellmembran

Membranen sind unabdingbarer Bestandteil lebender Systeme. Sie umhüllen sowohl prokaryotische als auch eukaryotische Zellen und grenzen das „Innere“, in dem geordnete und komplexe Lebensvorgänge stattfinden, von der „chaotischen Außenwelt“ ab. Eukaryotische Zellen besitzen zusätzlich zur Zellmembran noch intrazelluläre Membranen. Sie umhüllen die einzelnen Organellen und ermöglichen wiederum, dass in ihrem Inneren spezialisierte, geordnete Vorgänge stattfinden können, die nicht von den Vorgängen im Zytosol gestört werden sollen. Die meisten Prokaryoten und Pflanzenzellen besitzen zusätzlich zur Zellmembran noch eine Zellwand, die die Zellmembran umgibt und die Zellen vor der Außenwelt schützt.

Aufbau von Membranen

Biomembranen bestehen aus einer Lipiddoppelschicht, der Membranproteine ein- und angelagert sind. Die Synthese der Membranbestandteile erfolgt im glatten endoplasmatischen Retikulum.

Lipiddoppelschicht

  • Aufbau: Grundbausteine sind amphiphile Lipide wie Phospho- oder Sphingolipide, die eine polare Kopfgruppe (z.B. Phosphat, Sphingosin) und apolare Kohlenwasserstoffschwänze (Fettsäuren) besitzen
    • Verteilung der apolaren und polaren Gruppen: In wässriger Lösung lagern sich die apolaren Kohlenwasserstoffschwänze nach innen zusammen, während die polaren Kopfgruppen in beide Richtungen eine Grenzstruktur zum Wasser bilden → Es entstehen stabile Lipiddoppelschichten, die kugelartige Gebilde (z.B. Zellen oder Vesikel) formen
    • Verteilung der Membranlipide: Lipide können zwar teilweise zwischen innerer und äußerer Lipidschicht wechseln, trotzdem finden sich bestimmte Lipide vorrangig auf einer Seite
  • Eigenschaften
    • Durchlässigkeit
      • Nahezu undurchlässig für polare Moleküle
      • Gut durchlässig für kleine apolare Verbindungen
    • Fluidität: In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Lipiddoppelschicht und der Temperatur ändern sich die Flüssigkeitseigenschaften der Membran
      • Ungesättigte Fettsäuren erhöhen die Fluidität
      • Cholesterin
        • Erniedrigt Membranfluidität bei höheren Temperaturen
        • Erhöht Membranfluidität bei niedrigeren Temperaturen
    • Diffusion: Die fluiden Eigenschaften der Lipidschicht ermöglichen die Bewegung und Ausbreitung einzelner Moleküle

Membranproteine

Beispiele für asymmetrisch verteilte Membranbestandteile
Integrale Membranproteine Transmembranproteine
Einseitig integrale Membranproteine
Periphere Membranproteine Nach extrazellulär
Nach intrazellulär

"Antimykotika":
In der Zellmembran von Pilzen kommt anstelle des Cholesterins das chemisch verwandte Ergosterol vor. Diesen Umstand nutzt man bei der Bekämpfung von Pilzerkrankungen: Viele Anti-Pilz-Medikamente (Antimykotika) wirken über eine Hemmung der Ergosterolsynthese. Da das Ergosterol in tierischen – also auch in menschlichen – Zellen nicht vorkommt, bleiben diese unbehelligt.

Aufgrund ihrer Fluidität sind Membranen auch ohne die Nutzung spezifischer Kanäle oder Transporter durchlässig für Wasser und bestimmte kleine Teilchen. Man bezeichnet diese Eigenschaft als Semipermeabilität ("Teildurchlässigkeit")!

Glykokalyx

  • Definition: Schicht aus Zuckermolekülen an der Außenfläche der Zellmembran bei eukaryotischen Zellen
  • Aufbau
  • Funktion
    • Schützt Zelle vor Austrocknung
    • Antigenfunktion
      • Ermöglicht Immunzellen, eine Zelle als körpereigen zu erkennen
      • An der Erythrozytenmembran: Blutgruppendifferenzierung

Funktionen von Membranen

  • Abgrenzung zur Umwelt
  • Transport von Stoffen von innen nach außen oder von außen nach innen (siehe: Stofftransport)
  • Signaltransduktion: Umwandlung extrazellulärer Signale in intrazelluläre Reaktionen
  • Zellidentifikation
    • Jede Zelle exprimiert auf ihrer Oberfläche spezifische Protein- und Kohlenhydratfragmente
    • Durch die spezifischen Oberflächenfragmente lässt sie sich von anderen Zellen abgrenzen, ist als "selbst" erkennbar
  • Elektrische Erregbarkeit
  • Kontakt zwischen Zellen: Werden durch Ankerproteine (= Zelladhäsionsmoleküle) gebildet, die extrazellulär herausragen und intrazellulär mit dem Zytoskelett in Verbindung stehen

Zellorganellen

Zellorganellen sind Kompartimente in Zellen, die von einer Membran umgeben sind und ganz spezielle Aufgaben erfüllen. In Eukaryoten gibt es viele verschiedene Organellen, in Prokaryoten gibt es hingegen keine Kompartimentierung.

Um die Größe der verschiedenen Zellbestandteile zu ermitteln, werden diese in mehreren Schritten isoliert. So erhält man durch Zentrifugation folgende Fraktionen (in absteigender Größe):

Überblick über die wichtigsten Zellorganellen
Zellorganellen Aufbau Funktion
Zellkern
  • Doppelmembran
Endoplasmatisches Retikulum (ER)
  • Verzweigtes Membransystem
  • Synthese von Proteinen, Membranbestandteilen etc.
Golgi-Apparat
  • Membranumhülltes, scheibenförmiges Vesikelsystem
  • Modifikation und Verpackung von Zell-Export-Produkten
Mitochondrien
  • Doppelmembran
  • Intermembranraum
  • Matrix
  • Bereitstellung von Energie
  • Verschiedene Stoffwechselwege
Lysosomen
  • Kleine, membranumhüllte Vesikel
  • Gefüllt mit hydrolytischen Enzymen
  • Abbau von zellfremden und -eigenen Molekülen
Peroxisomen

Zellkern

Aufbau

Der Zellkern (Nukleus) ist die auffälligste intrazelluläre Struktur und stellt die Steuerungszentrale der Zelle dar. Er ist von einer Doppelmembran umhüllt und enthält fast das gesamte genetische Material .

Kernhülle

Die Kernhülle besteht aus einer inneren und einer äußeren Kernmembran, die jeweils aus einer Lipiddoppelschicht aufgebaut ist. Die beiden Membranen umschließen den perinukleären Raum, wobei die äußere Kernmembran in die Zisternen des rauen endoplasmatischen Retikulums übergeht.

Inhalt des Zellkerns

Funktionen

Endoplasmatisches Retikulum

Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein im Zytosol weit verzweigtes Membransystem, das mit der äußeren Membran des Zellkerns in direkter Verbindung steht und ein Kanalsystem langgestreckter Hohlräume bildet. Seine wichtigste Aufgabe ist die Synthese von zellulären Bestandteilen und Zell-Export-Produkten. Mikroskopisch und funktionell lassen sich zwei Bereiche voneinander abgrenzen: Das raue und das glatte endoplasmatische Retikulum.

Aufbau

Funktionen

Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat liegt in der Zelle zwischen dem ER und der Zellmembran und ist für die weitere Prozessierung der im ER gebildeten Stoffe zuständig. Er stellt sich als ein membranumhülltes, scheibenförmiges Vesikelsystem dar, das zwei Seiten aufweist: Die konvexe Cis-Golgi-Seite und die konkave Trans-Golgi-Seite.

Aufbau

  • Membranumhülltes, scheibenförmiges, leicht gebogenes Vesikelsystem mit zwei Seiten

Funktionen

I-Zell-Krankheit
Im Golgi-Apparat werden die Enzyme, die in die Lysosomen gelangen sollen, mit einem Mannose-6-phosphat-Rest versehen (= „Adressierung“). Ohne diese Adressierung finden die Enzyme nicht ihren Weg in die Lysosomen und gelangen über die Plasmamembran ins Blut. Genau dies passiert bei der extrem seltenen I-Zell-Krankheit, die zu den lysosomalen Speicherkrankheiten gezählt wird und mit massiver psychomotorischer Retardierung und Skelettdeformierung einhergeht.

Mitochondrien

Mitochondrien werden auch als die "Kraftwerke der Zelle" bezeichnet, denn ihre Hauptaufgabe besteht in der Synthese des wichtigsten Energieträgers des Körpers: ATP. Darüber hinaus erfüllen sie weitere essentielle Stoffwechselfunktionen. Sie bestehen aus einer Doppelmembran, dem Intermembranraum und der Matrix. Nach dem Aufbau der inneren Membran unterscheidet man verschiedene Mitochondrientypen.

Aufbau

Mitochondrien ähneln vom Aufbau und der DNA her den Prokaryoten, weshalb man annimmt, dass sie ursprünglich selbstständig lebende Bakterien waren (siehe: Endosymbiontentheorie).

Mitochondrienmembran

Die Mitochondrienmembran besteht wie die Kernmembran aus zwei Schichten.

Äußere Mitochondrienmembran

Innere Mitochondrienmembran

  • Struktur: Gefaltet
  • Durchlässigkeit: Undurchlässig, allerdings befinden sich in der inneren Membran viele Transporter und Kanäle (s.u.)
  • Wichtiger Bestandteil: Cardiolipin (stabilisiert die Enzyme der oxidativen Phosphorylierung)
Form der inneren Membran
Carrier der inneren Mitochondrienmembran

Spezifische Transporter und Permeasen regulieren den Stofftransport durch die innere Membran.

Beim Malat-Aspartat-Shuttle wird nicht NADH+ über die innere Mitochondrienmembran transportiert, sondern dessen Elektronen!

Mitochondrienmatrix

Funktion

Exkurs: Endosymbiontentheorie

Die Mitochondrien erinnern aufgrund ihrer DNA (hohe Gendichte, ringförmige Struktur) an Prokaryoten. Auch ihre Ribosomen weisen starke Ähnlichkeiten mit den 70S-Ribosomen von Bakterien auf. Aus diesem Grund wird vermutet, dass die Mitochondrien ursprünglich selbstständig lebensfähige Bakterien waren, die die besondere Fähigkeit hatten, durch oxidative Phosphorylierung Energie herzustellen. Die Endosymbiontentheorie nimmt an, dass im Laufe der Evolution eine solche Bakterienzelle von einer eukaryotischen Zelle aufgenommen wurde, im Lauf der Zeit einen Teil ihrer DNA verlor und somit nicht mehr eigenständig lebensfähig war. Die eukaryotische Zelle wurde im Gegenzug abhängig von der Energieproduktion der inkorporierten Bakterienzelle.

Mitochondriopathien
Mitochondrien werden mütterlicherseits vererbt, dementsprechend auch die Defekte der mitochondrialen DNA. Da Mitochondrien in sehr großer Zahl vorhanden sind und nicht immer alle gleichzeitig defekt sein müssen, kommt es zu großen Variationen in der Art und Schwere der Erkrankung. Von solchen Defekten sind zumeist Gewebe mit hohem Sauerstoffverbrauch betroffen wie bspw. das Gehirn (mitochondriale Enzephalopathie) oder die Muskulatur (mitochondriale Myopathien).

Lysosomen

Lysosomen werden häufig als die "Mülleimer" der Zelle bezeichnet. Ihre Hauptaufgabe ist die Zerlegung von Biopolymeren in Monomere. Sie sind kleine kugelförmige, mit saurer Flüssigkeit gefüllte Organellen, die von einer Biomembran (Lipiddoppelschicht) umgeben werden.

Aufbau

Das Leitenzym der Lysosomen ist die saure Phosphatase!

Funktion

Lysosomen spielen eine wichtige Rolle bei der spezifischen Immunantwort. Antigene werden nach endozytotischer Aufnahme in sog. antigenpräsentierende Zellen (z.B. Makrophagen, B-Lymphozyten) im Lysosom zerlegt. Die Fragmente werden an MHC-II-Proteine gebunden, welche durch Exozytose an die Zelloberfläche gelangen und dort exprimiert werden (Antigenpräsentation). Dies führt zur Aktivierung von T-Helfer-Zellen!

Peroxisomen

Peroxisomen ähneln vom Aufbau her den Lysosomen. Sie befinden sich im Zytosol und beherbergen Enzyme, die unter Sauerstoffverbrauch Aminosäuren und Fettsäuren oxidieren.

Aufbau

  • Kleine runde Vesikel, die von einer Membran umhüllt werden

Funktion

Zellweger-Syndrom
Bei dieser Erbkrankheit ist die Peroxisomenbildung und -funktion erheblich gestört, was zu einer Akkumulation des zytotoxischen Wasserstoffperoxids führt. Die Betroffenen leiden unter neurologischen und hepatointestinalen Symptomen und versterben meist im ersten Lebensjahr.

Zytosol und Ribosomen

Zytosol

Das Zytosol – auch Matrix genannt – wird von der Zellmembran umschlossen. In Prokaryoten finden bis auf wenige Ausnahmen sämtliche Stoffwechselwege innerhalb des Zytosols statt, während bei Eukaryoten die Zellorganellen einige dieser Prozesse übernehmen und mit einer Membran vom Zytosol abgegrenzt werden können (Kompartimentierung).

Aufbau

  • Wasser und darin gelöste Ionen und kleine Moleküle (70%)
  • Proteine wie z.B. Enzyme vieler Stoffwechselwege (30%)

Funktion

Das Zytoplasma umfasst die Gesamtheit der Dinge, die innerhalb der Zellmembran, aber außerhalb des Zellkerns liegen. Dazu gehören das Zytosol, die Zellorganellen und das Zytoskelett!

Ribosomen

Ribosomen sind sehr große Molekülkomplexe aus RNA und Proteinen, die sich im Zytosol, am rauen endoplasmatischen Retikulum und in den Mitochondrien befinden. An ihnen läuft der zweite Teil der Proteinbiosynthese ab – die Translation.

Aufbau

Lokalisation

Funktion

Zytosolische Proteine (wie Tubulin) werden an den freien Ribosomen synthetisiert. Sekretorische Proteine (also solche, die für den Export bestimmt sind) und Membranproteine werden an den Ribosomen des rauen ERs synthetisiert!

Zytoskelett

Das Zytosol wird von einem dreidimensionalen Netz aus Filamenten durchzogen, das als Zytoskelett bezeichnet wird. Es ist verantwortlich für die Stabilisierung und die Bewegung der Zellen sowie für Transportvorgänge innerhalb der Zelle.

Überblick

  • Funktion
    • Stabilisierung und Bewegung der Zelle
    • Transportvorgänge innerhalb der Zelle
  • Aufbau: Besteht aus Filamenten und spezifischen Begleitproteinen
    • Filamente: Aus Monomeren zusammengesetzte längliche Zellstrukturen
    • Begleitproteine: Sind für verschiedene Funktionen des Zytoskeletts verantwortlich (Beweglichkeit, An- und Abbau von Monomeren, etc.)
      • Motorproteine: Wichtige Begleitproteine, die verantwortlich für die Beweglichkeit der Filamente sind

Die wichtigsten Bestandteile des Zytoskeletts

Filament Bauweise Begleitproteine Funktion

Aktinfilamente (Zytoskelett) (= Mikrofilamente)

  • Durchmesser: ca. 7 nm
  • Aufbau: Globuläre Aktin-Monomere (G-Aktin) polymerisieren ATP-abhängig zu filamentärem Aktin (F-Aktin) → zwei Stränge aus F-Aktin winden sich helixartig umeinander (= das eigentliche Aktinfilament)
Intermediärfilamente (IF)
  • Stabilisierung der Zelle

Mikrotubuli (MT)