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Schule > Biologie > Tiere (Zoologie) > Besonderheiten der tierischen Zelle

Alle Eukaryonten-Zellen besitzen gemeinsame Grundstrukturen, ganz gleich, zu welchem Organismus sie gehören: eine Zellmembran, die sie wie eine Barriere von ihrer Umgebung abgrenzt, einen Kern, welcher die genetische Information enthält, und einen cytoplasmatischen Raum, in dem die Zellorganellen eingelagert sind, wie zum Beispiel die Mitochondrien, der Golgi-Apparat, das endoplasmatische Retikulum, die Chloroplasten und die Ribosomen. Die Zellen und ihre Strukturen sind aus Biomolekülen zusammengesetzt: Wasser, Mineralsalze, Proteine, Fette, Zucker und Nucleinsäuren.

Die Zellmembran
Die Zellmembran ist die nach außen selektiv abgrenzende Umhüllung einer jeden Zelle. Sie begrenzt wie ein feiner Fettfilm den Inhalt der Zelle und steuert ihren lebenswichtigen Austausch von bestimmten Stoffe mit ihrer Umgebung. Sie ist zwischen 7 und 10nm (Nanometer) dick (ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters). Ihre Struktur entspricht einem fließenden Mosaik aus zwei Lagen von Fetten (Lipiden), die in der gleichen Schicht gegeneinander beweglich sind. Deshalb spricht man auch von dem Fluidmosaik-Modell. Die sie aufbauenden Phospholipide sind polare Moleküle. Ihre ungeladene, lipophile Seite zeigt in das Innere der Doppelschicht, während ihr geladener, hydrophiler Abschnitt nach außen weist und im Kontakt mit dem umgebenden Wasser steht. Bei der Zellmembran sind zwei solche Biomembranen übereinandergelagert. Deshalb spricht man auch von einer Doppelmembran. In der dünnen Lipidoppelschicht "schwimmen" gewissermaßen eingelagerte Proteine. Diese Proteine greifen in die verschiedenen Funktionen der Membran und damit der gesamten Zelle ein. Beispielsweise regulieren durchgehende Membranproteine den Transport von Substanzen durch die Zellmembran. Rezeptorproteine bewirken die Weiterleitung von biologischen Signalen in das Innere der Zelle. Die meisten Membranproteine weisen nach außen herausragende Zuckeranteile (Kohlenhydratreste) auf. Diese dienen vor allem als spezifische Kontakt- und Erkennungssignale zwischen Zellen.
Biomembranen finden sich nicht nur als äußere Zellbegrenzung, sie grenzen auch viele Zellorganellen und bestimmte Bereiche im Cytoplasma ab. Dort sind sie jedoch außer beim Zellkern, bei Mitochondrien und Chloroplasten einschichtig. Eine solche Kompartimentierung schafft innerhalb einer Zelle verschiedene Reaktionsräume, in denen Prozesse ablaufen können, ohne dass sie sich gegenseitig behindern oder beeinflussen.

Cytoplasma
Das Cytoplasma füllt in der Regel den größten Teil des Zellvolumens aus. Es enthält das Cytosol, eine wässerige Flüssigkeit, die hoch angereichert ist mit zahlreichen Proteinen, außerdem Ionen, verschiedenen Zuckern (Kohlenhydraten) und Nucleinsäuren. In das Cytoplasma sind die unterschiedlichen Zellorganellen eingelagert. Im Cytoplasma wird dank der fein abgestimmten Aktion der verschiedenen Zellorganellen und der frei schwimmenden Proteine der Großteil der lebenswichtigen biochemischen Prozesse der Zelle abgewickelt. Das Cytosol wird außerdem von einem feinen Netzwerk aus Proteinfäden (Filamenten) durchzogen, dem Cytoskelett. Dieses Zellskelett stabilisiert zum einen die Form der Zelle, zum anderen ist es maßgeblich an ihrer Bewegung beteiligt. Dazu gehören die Mikrotubuli, die Mikrofilamente und die Intermediärfilamente. Aus Mikrotubuli bestehen auch die in der Nähe des Zellkerns liegenden Centriolen, die an der Kernteilung bei der Verdoppelung der Zelle beteiligt sind.

Zellorganellen
Im Cytoplasma eingelagert befinden sich Bauelemente, die wie kleine Organe - daher heißen sie Organellen - in der Lage sind, spezialisierte Aufgaben zu übernehmen. Die meisten Zellorganellen sind, wie z.B. die Mitochondrien, Chloroplasten, Lysosomen oder das endoplasmatische Retikulum, von einer eigenen Biomembran umschlossen, sodass in den von ihnen abgegrenzten Räumen die speziellen chemischen Reaktionen ablaufen können.
Diese komplexe Gliederung des Zellinneren oder Kompartimentierung ermöglicht auf engstem Raum verschiedenste chemische und physikalische Prozesse, ohne dass diese sich gegenseitig behindern, sie aber dennoch gegebenenfalls Einfluss aufeinander nehmen können. Je nach Aufgabe der Zelle liegen bestimmte Organellen vermehrt vor, z.B. in den bewegungsaktiven, energieverbrauchenden Muskelzellen vermehrt Mitochondrien.

Der Zellkern
Im Zellkern oder Nukleus findet sich der größte Teil des genetischen Materials in Form des Chromatins. Chromatin ist mit Proteinen verpackte DNA (Desoxyribonucleinsäure), die das Trägermolekül der Erbinformation ist, zuständig für die Kontrolle sämtlicher Zellfunktionen. Im dunkleren, da dichteren Bereich des Chromatins liegt das Kernkörperchen oder Nucleolus. Hier werden die Untereinheiten anderer Organelle, der Ribosomen, gebildet.
In tierischen und pflanzlichen Zellen ist der Zellkern von einer mit Poren versehenen Biomembran umhüllt, der Kernmembran. Sie wird vom endoplasmatischen Reticulum aus gebildet. Durch die Kernporen steht das Innere des Kerns mit dem Cytoplasma in Verbindung. Sie sind so groß, dass Makromoleküle wie die Boten-RNA (mRNA) hindurchtreten können. Einige spezialisierte Zellen wie beispielsweise Skelettmuskelzellen besitzen mehrere Kerne, andere Zellen wie die roten Blutkörperchen trennen sich im Laufe ihres Reifungsprozesses von ihrem Zellkern.

Endoplasmatisches Reticulum
Das endoplasmatische Retikulum ist ein umfangreiches Labyrinth von untereinander verbundenen membranumhüllten Kanälchen und Säckchen. Abgetrennt vom Cytoplasma finden hier im Wesentlichen die Herstellung von Fetten oder Lipiden und lipidähnlicher Substanzen sowie andere Stoffwechselvorgänge statt. Hier werden die meisten Bestandteile der Biomembranen einer Zelle zusammengebaut. In Form abgeschnürter Bläschen (Vesikel) werden die Membranteile zu ihrem Zielort transportiert. Man unterscheidet zwei Arten von endoplasmatischem Reticulum. Das eher röhrenförmige glatte endoplasmatische Retikulum (sER) wirkt vor allem beim Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel mit und ist wesentlich an der Beseitigung von Giften beteiligt. Beispielsweise enthalten die hormonproduzierende Zellen in den Hoden oder Eierstöcken besonders viel sER. Leberzellen speichern in ihrem umfangreichen sER Kohlenhydrate in Form von Glykogen. Auf dem eher flächigen rauen endoplasmatischen Retikulum (rER) sitzen namengebend zahlreiche Ribosomen auf. Diese dienen vor allem zur Herstellung membrangebundener Proteine. Diese werden mit speziell vom rER abgeschnürten Vesikel aus der Zelle heraustransportiert (sezerniert). Beispielsweise enthalten bestimmte Zellen in der Bauchspeicheldrüse, die das Hormon Insulin an das Blut ausschütten, sehr viel rER.

Golgi-Apparat
Der Golgi-Apparat ist gewissermaßen die zentrale Fertigungs-, Sortier-, Versand- und Lagerabteilung einer Zelle. Die vor allem im endoplasmatischen Reticulum hergestellten Lipide und anderen Makromoleküle werden hier biochemisch weiterverarbeitet und anschließend sortiert an ihren jeweiligen Zielort gebracht. Der Golgi-Apparat besteht aus abgeflachten Membranstapeln, so genannten Dictyosomen. Auf der konvexen Seite verschmelzen die angelieferten Membranbläschen (Vesikel), auf der gegenüberliegenden konkaven Seite schnüren sich Vesikel mit verarbeiteten Molekülen zum Weitertransport ab.

Lysosomen
Lysosomen sind meist vom Golgi-Apparat gebildete Membranbläschen, in denen zelleigenes Material oder von außen aufgenommene organische Makromoleküle wie Proteine enzymatisch abgebaut werden. Sie enthalten zahlreiche Verdauungsenzyme, für deren optimale Arbeit sie in ihrem Lumen ein besonders saures Milieu herstellen. Lysosomen kommen nicht in Pflanzenzellen vor. Die entsprechende Aufgaben übernehmen dort die Vakuolen.
Peroxisomen: Peroxisomen oder Microbodies sind spezialisierte Vesikel, die vom rauen endoplasmatischen Reticulum abgeschnürt werden. Sie liegen besonders zahlreich in den stoffwechselaktiven Zellen der Leber vor und enthalten zahlreiche spezifische Enzyme, insbesondere zur Oxidation von Substanzen (Oxidasen), für die sie viel Sauerstoff verbrauchen. Bei den enzymatischen Reaktionen entstehen große Mengen von Wasserstoffperoxid, das diesen Vesikeln ihren Namen gab.

Ribosomen
An den aus zwei kugelförmigen Untereinheiten zusammengesetzen Ribosomen findet die Herstellung von Proteinen aus Aminosäuren, die Translation, statt. Als Vorlage dient die genetische Matrize in Form der Boten-RNA (mRNA). Ribosomen schwimmen frei im Cytoplasma oder sitzen angeheftet auf dem rauen endoplasmatischen Reticulum.

Mitochondrien
Die mit einem eigenen kleinen Genom ausgestatteten Mitochondrien sind die Kraftwerke einer Zelle. Die innere ihrer Doppelmembran ist in Falten oder Schläuchen in ihren plasmatischen Innenraum eingestülpt. Dadurch entstehen zwei Reaktionsräume: einer zwischen der inneren und äußeren Membran und der plasmatische Innenraum des Organells. Die Einstülpungen der Membran vergrößern diese so stark, dass hier zahlreiche verschiedene Reaktionen gleichzeitig ablaufen können. Die komplexen Stoffwechselprozesse der Atmungskette und des Citronensäurezyklus laufen im Wesentlichen in den Mitochondrien ab. Die aus Zuckern und Fetten gewonnene Stoffwechselenergie wird hierbei auf kleinere, universell einsetzbare Einheiten übertragen. Im Wesentlichen entsteht das energiereiche Adenosintriphosphat (ATP), das in allen Zellen als Energielieferant genutzt wird, beispielsweise zur Aktivierung von Enzymreaktionen oder bei den Bewegungsvorgängen in Muskelzellen. So enthält beispielsweise eine Leberzelle weit über 1000 Mitochondrien.

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