Zellbiologie

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Zwiebelzellen - 100-fache Vergrößerung

Eine Zelle ist in der Regel definiert als eine Einheit oder Kompartimente, umschlossen von einer Grenze oder Mauer, die in der Regel Teil einer größeren Struktur ist. In biologischer Hinsicht sind Zellen die strukturellen und funktionellen Einheiten aller lebender Organismen. Lebenden Zellen zeigen überwältigende Beweise für Intelligent Design aufgrund ihrer vielen minimal komplexen molekularen Maschinen. Zellen sind so unglaublich kompliziert, dass wir uns erst am Anfang befinden, sie zu verstehen, ihre internen Abläufe und in der Tat viele Funktionen in der Zelle sind noch insgesamt ein Geheimnis.

Einige Organismen, darunter Bakterien, sind unizellulär, bestehen aus einer einzigen Zelle. Andere Organismen, wie Menschen, sind multizellulär, oder haben viele Zellen - geschätzte 100.000.000.000.000 Zellen! Jede Zelle ist eine erstaunliche Welt für sich: sie kann Nährstoffe aufnehmen, diese Nährstoffe in Energie umwandeln, spezialisierte Funktionen ausführen und sich den Erfordernissen entsprechend vermehren. Sogar noch staunenswerter ist, dass jede Zelle ihren eigenen Befehlssatz zur Umsetzung jeder dieser Aktivitäten speichert.[1]

Im frühen 20. Jahrhundert wurde die Zelle im Wesentlichen als Protoplasma-Tropfen angesehen. Sie war eine unbeobachtbare Ansammlung von Gelatin-Molekülen, ihre inneren Abläufe unverstanden. Im 21. Jahrhundert hingegen enthüllt die Technik, dass obwohl die kleinsten Bakterien unglaublich winzig sind und weniger als 10-12 Gramm wiegen, die gesamte Zelle unglaublich integriert ist und jedes Teil als Teil eines Teams arbeitet.

Eine manchmal herangezogene Analogie vergleicht die Zelle mit einer Stadt. Zum Beispiel können die Arbeiter mit dem Protein verglichen werden, das Kraftwerk mit den Mitochondrien, die Straßen mit den Aktinfilamenten und Mikrotubuli, die Lastkraftwagen mit dem Kinesin und Dynein, die Fabriken mit den Ribosomen, die Bibliothek mit der Nukleinsäure, die Abfallverwertung mit den Lysosomen, die Polizei mit den Chaperonen und das Postamt mit dem Golgi-Apparat.

Mit weiter fortschreitender Technik öffnet die Wissenschaft kontinuierlich Black Boxes innerhalb bereits geöffneter, und umso mehr von ihnen aufgedeckt werden, desto mehr drängt die überragende Komplexizität des Gesamtsystems evolutionäre Theorien zur Zerreißgrenze.

Zelltypen

Vergleich einer typischen tierischen Zelle (Eukaryont) mit einer Bakterienzelle (Prokaryont).

Zellen werden in zwei grobe Kategorien eingeteilt, Prokaryonten oder Eukaryonten, die mehrere Charakteristika gemeinsam aufweisen. Alle vielzelligen Organismen bestehen aus eukaryontischen Zellen, die eine breite Palette verschiedener Aufgaben übernehmen und spezialisierte Gewebe formen. Prokaryontische Organismen sind einzellige Organismen (wie Bakterien).

Eukaryonten

Hauptartikel: Eukaryont

Zu den Eukaryonten zählen Pilze, Tiere und Pflanzen, sowie einige einzellige Organismen (Protisten). Eukaryontische Zellen weisen ungefähr die zehnfache Größe einer prokaryontischen Zelle auf und können das bis zu tausendfach größere Volumen besitzen. Der vorwiegende und sehr wichtige Unterschied zwischen Prokaryonten und Eukaryonten besteht darin, dass eukaryontische Zellen Membran-begrenzte Kompartimente enthalten, in denen spezifische metabolische Aktivitäten stattfinden. Unter diesen ist der Nukleus am herausragendsten, der ein Membran-begrenztes Kompartiment darstellt, das die DNA der eukaryontischen Zelle beherbergt. Es ist dieser Nukleus, der dem Eukaryonten - wortwörtlich, wahrer Kern - seinen Namen gibt.

Eukaryontische Zellen enthalten auch andere spezialisierte Strukturen, genannt Organellen, die kleine Gebilde innerhalb von Zellen sind, die zweckbestimmte Funktionen leisten. Wie der Name impliziert, dürfen Organellen als kleine Organe aufgefasst werden. Es gibt ein Dutzend verschiedener Arten von Organellen, die gewöhnlich in eukaryontischen Zellen angetroffen werden können.[2]

Prokaryonten

Hauptartikel: Prokaryont

Bakterien sind Prokaryonten, die sich von Eukaryonten dadurch unterscheiden, dass ihre DNA nicht in einem Nukleus organisiert ist. Prokaryonten weisen außerdem nur ein Chromosom auf, das zirkulär statt linear ist. Obwohl prokaryontische Zellen manchmal "einfache Zellen" genannt werden, vollbringen sie die meisten derselben metabolischen Prozesse wie die eukaryontischen Zellen. Viele dieser Reaktionen sind einfach nicht innerhalb von Organellen abgetrennt. Zum Beispiel vollziehen Prokaryonten wie Eukaryonten Photosynthese und Zellatmung, aber nur Eukaryonten weisen entsprechende Chloroplasten und Mitochondrien auf.

Prokaryonten sind einzellige Organismen, die keine vielzellige Formen ausbilden oder sich in solche differenzieren. Einige Bakterien wachsen als Filamente oder Zellkonzentrationen, aber jede Zelle in der Kolonie ist identisch und zur unabhängigen Einzelexistenz in der Lage. Die Zellen mögen benachbart liegen weil sie sich nach der Zellteilung nicht voneinander getrennt haben oder von einer gemeinsamen Hülle oder von den Zellen produziertem Schleim umgeben sind. Trotzdem besteht typischerweise keine Kontinuität oder Kommunikation zwischen den Zellen. Prokaryonten sind in der Lage, fast jeden Bereich auf der Erde zu bewohnen, vom tiefen Ozean, über die Kanten heißer Quellen bis zu praktisch jeder Oberfläche unserer Körper.[3]

Zelltypen

Jedes Individuum beginnt das Leben als einfache Zelle, zusammengefügt durch die Verbindung zwischen dem männlichen Spermium und der weiblichen Eizelle. Diese einzelne Zelle enthält den digitalen Code, der für die Ausbildung anderer Zellen nötig ist, die die vielen Funktionen des Körpers ausüben. Diese umfassen unsere Geschmacksknospen, Fettzellen, Hautzellen, Blutzellen und viele mehr. Insgesamt besteht der menschliche Körper aus 100 Billionen Zellen!

Drei grundlegende Zellkategorien bilden den Körper des Säugetiers: Keimzellen, somatische Zellen und Stammzellen. Jede der ungefähr 100.000.000.000.000 Zellen eines erwachsenen Menschen hat ihre eigene Kopie, oder Kopien, des Genom mit Ausnahme einiger Zelltypen, die in ihrer vollständig ausdifferenzierten Form keine Nuklei haben, so zum Beispiel rote Blutzellen. Der Großteil dieser Zellen ist diploid und weist zwei Kopien jedes Chromosoms auf. Diese Zellen werden somatische Zellen genannt. Zu dieser Zellkategorie gehören die meisten Zellen, die unseren Körper bilden, so zum Beispiel Haut- und Muskelzellen. Aus den Zellen der Keimzelllinie stammen die Gameten - Eizellen und Spermien -, die sich durch die Generationen hindurch ziehen. Stammzellen wiederum sind in der Lage, sich über unbestimmte Zeitperioden zu teilen und spezialisierte Zellen hervorzubringen.[4]

Zelluläre Strukturen

Plant cell structure.png

Alle Zellen sind von einer Membran umgeben, die aus einer Doppelschicht von Phospholipiden zusammengesetzt ist. Innerhalb dieser Plasmamembran befindet sich das Cytoplasma, das aus einer Flüssigkeit besteht, die Protoplasma genannt wird und innerhalb derer sich je nach Zelltyp ein oder mehrere Organellen befinden. Das Protoplasma setzt sich aus ungefähr 65% Wasser und ungefähr einer Milliarde gelöster Moleküle je Zelle zusammen. Das Wasser bietet eine günstige Umgebung für die Tausende von biochemischen Reaktionen, die innerhalb der Zelle stattfinden.

  • Cytoplasma - Cytoplasma ist die gallertige Masse, die den größten Teil der Zelle ausmacht und manchmal Cytosol genannt wird. Es umgibt den Nukleus und nimmt die Organellen auf. Es beinhaltet gelöste Nährstoffe, unterstützt den Abbau von Abfallstoffen und transportiert Material in der Zelle mithilfe eines Prozesses, der Cytoplasmic Streaming genannt wird.[5]
  • Cytoskelett - Das Cytoskelett ist eine wichtige, komplexe und dynamische Zellkomponente. Es dient zur Organisation und Aufrechterhaltung der zellulären Formgestalt, verankert Organellen an ihrem Ort, unterstützt die Endocytose, die Aufnahme extrazellulärer Materialien durch die Zelle und bewegt Zellabschnitte in Prozessen wie Wachstum und Zellmotilität. Eine Großzahl von Proteinen sind dem Cytoskelett zugehörig, die jeweils die Zellstruktur durch Führung, Bündelung und Ausrichtung von Filamenten steuern.
  • Plasmamembran - Die Außengrenze der eukaryontischen Zelle wird Plasmamembran genannt. Diese Membran dient einer Zelle zur Trennung von und zum Schutz vor ihrem umgebenden Milieu und wird zum größten Teil aus einer Doppelschicht von Proteinen und Lipiden, fettartigen Molekülen, gebildet. In dieser Membran sind vielfältige andere Moleküle eingebettet, die als Kanäle und Pumpen dienen, die verschiedene Moleküle in die Zelle und aus ihr heraus befördern. Eine Art von Plasmamembran wird auch bei Prokaryonten gefunden, dort aber für gewöhnlich als Zellmembran bezeichnet.[6]
  • Nukleinsäure - Es gibt zwei Arten von genetischem Material: Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Die meisten Organismen entspringen der DNA, einige Viren aber weisen RNA als ihr genetisches Material auf. Die biologische Information, die ein Organismus enthält, ist in seiner DNA- oder RNA-Sequenz kodiert. Prokaryontisches genetisches Material ist in einer einfachen, sich im Cytoplasma befindenden zirkulären Struktur organisiert. Eukaryontisches genetisches Material weist eine komplexere Organisationsform auf.[7]

Organellen

Schaubild einer typischen tierischen Zelle (Eukaryont). Organellen:(1) Nukleolus (2) Nukleus (3) Ribosom (4) Vesikel (5) Raues Endoplasmatisches Reticulum (RER) (6) Golgi-Apparat (7) Cytoskelett (8) glattes ER (9) Mitochondrien (10) Vakuole (11) Cytoplasma (12) Lysosom (13) Zentriolen
Hauptartikel: Organelle
  • Nukleus - beherbergt die genomische DNA in Eukaryonten. Der Nukleus ist das auffälligste Organell eukaryontischer Zellen. In ihm sind die Chromosomen der Zelle untergebracht und es ist der Ort, an dem fast die gesamte DNA-Replikation und RNA-Synthese stattfindet. Der Zellkern hat eine sphäroide Gestalt und ist vom Cytoplasma durch eine Membran, die Kernhülle, abgegrenzt. Sie isoliert und beschützt die DNA der Zelle vor verschiedenen Molekülen, die unbeabsichtigt ihre Struktur beschädigen oder mit ihrer Verarbeitung interferieren könnten. Während der Prozessierung wird die DNA transkribiert oder in eine spezielle RNA umgeschrieben, genannt mRNA. Diese mRNA wird anschließend aus dem Nukleus transportiert, wo sie in ein spezifisches Proteinmolekül translatiert wird. Bei Prokaryonten findet die DNA-Prozessierung im Cytoplasma statt.[8]
  • Mitochondrien - leisten die Zellatmung in Eukaryonten. Mitochondrien sind selbst-replizierende Organellen, die in verschiedener Anzahl, verschiedenen Formgestalten und Größen im Cytoplasma jeder eukaryontischen Zelle auftreten. Mitochondrien beinhalten ihre eigene DNA, die getrennt und verschieden vom nukleären Genom der Zelle ist. Mitochondrien weisen zwei funktionell unterschiedliche Membransysteme, die durch einen Raum getrennt sind, auf: die äußere Membran, die das gesamte Organell umgibt, und die innere Membran, die in nach innen zeigenden Falten oder Ausbuchtungen geworfen ist. Diese werden Cristae genannt. Die Anzahl und Form der Cristae der Mitochondrien sind unterschiedlich, je nach Gewebe und Organismus in denen sie gefunden werden und dienen der Oberflächenvergrößerung der Membran.
  • Chloroplasten - wandeln durch den Prozess der Photosynthese Lichtenergie der Sonne in ATP um. Wie Mitochondrien sind sie von einer Doppelmembran umgeben und weisen einen Intermembran-Raum auf. Auch sie haben ihre eigene DNA und sind am Energiestoffwechsel beteiligt. Und auch sie weisen Retikulationen oder vielzählige Fältelungen auf, die ihre Innenräume ausfüllen.[9]
  • Ribosomen - translatieren sowohl bei Pro- als auch Eukaryonten mRNA in Polypeptide. Das Ribosom ist ein großer Komplex, der aus vielen Molekülen zusammengesetzt ist, einschließlich RNAs und Proteinen. Es ist für die Umsetzung der von der mRNA getragenen genetischen Anweisungen verantwortlich. Der Prozess, den genetischen Code einer mRNA in die exakte Sequenz der Aminosäuren, die ein Protein bilden, zu überführen, wird Translation genannt. Die Protein-Synthese ist für sämtliche Zellen extrem wichtig. So können eine Vielzahl an Ribosomen - manchmal Hunderte oder gar Tausende - innerhalb einer Zelle gefunden werden. Ribosomen schwimmen frei im Cytoplasma oder binden manchmal an ein anderes Organell, genannt Endoplasmatisches Reticulum. Ribosomen bestehen aus einer großen und einer kleinen Untereinheit, die jeweils verschiedene Funktionen während der Proteinsynthese übernehmen.[10]
  • Endoplasmatisches Reticulum - ein Transportnetzwerk für Moleküle, die im Gegensatz zu im Cytoplasma frei schwimmenden Molekülen für bestimmte Modifikationen oder spezfische Zielorte vorgesehen sind. Das ER existiert in zwei Formen: als rauhes ER und als glattes ER. Das rauhe ER wird so bezeichnet, weil es seiner äußeren Oberfläche anhaftende Ribosomen aufweist. Hingegen ist dies beim glatten ER nicht der Fall. Die Translation der mRNA solcher Proteine, die entweder im ER verbleiben oder aus der Zelle exportiert (herausbefördert) werden, findet an den dem rauhen ER anhaftenden Ribosomen statt. Das glatte ER dient als Abnehmer jener Proteine, die im rauhen ER synthetisiert wurden.[11]
  • Golgi-Apparat - verarbeitet und verpackt verschiedene Makromoleküle in Vesikel. Zu exportierende Proteine werden dem Golgi-Apparat zugeführt, der manchmal Golgi-Körper oder Golgi-Komplex genannt wird, und zwar zur weiteren Prozessierung, Verpackung und zum Transport zu verschiedenen weiteren zellulären Orten.[12]
  • Lysosom - verrichtet die zelluläre Verdauung. Lysosomen und Peroxisomen werden oft als das Abfallentsorgungssystem einer Zelle bezeichnet. Beide Organellen sind einigermaßen sphärischer Form, begrenzt durch eine Einzelmembran und reich an Verdauungsenzymen, natürlich auftretende Proteine, die biochemische Reaktionen beschleunigen. Zum Beispiel können Lysosomen mehr als drei Dutzend Enzyme für den Abbau von Proteinen, Nukleinsäuren und bestimmten Zuckern, genannt Polysaccharide, enthalten. Alle diese Enzyme arbeiten am besten bei einem niedrigen pH, was das Risiko eines Abbaus eigener Zellstrukturen reduziert, sollten sie irgendwie aus den Lysosomen entweichen. Hier erkennen wir den Stellenwert der Kompartimentierung eukaryontischer Zellen. Die Zelle könnte solche destruktiven Enzyme nicht beherbergen, wenn sie nicht in einem Membran-begrenzten System beinhaltet wären.
  • Vakuole - Speicher-Raum.
  • Zilien
  • Flagellum

Gallerie

Referenzen

Externe Verweise

Kreationistische Verweise

Säkulare Verweise

Siehe auch