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Die Zelle: Organellen

Eine Zelle ist eine komplexe Struktureinheit mit vielfältigen Funktionen. Organellen sind spezialisierte Untereinheiten innerhalb der Zelle, die bestimmte Rollen oder Funktionen erfüllen. Sie besitzen eine eigene Phospholipid-Doppelschicht, die sie als Membran umgibt. Betrachtet man eine Zelle als Organismus, sind die Organellen das Äquivalent zu den inneren Organen. Zellorganellen erfüllen verschiedene Funktionen. Zu den Aufgaben der Zellorganellen gehören die Formerhaltung der Zelle, Fortpflanzung, Bewegung, Proteinbiosynthese, Energieproduktion sowie der Transport von Stoffen in die Zelle und aus der Zelle hinaus.

Aktualisiert: Aug 18, 2022

Übersicht

Definition

Organellen sind spezialisierte Strukturen innerhalb der eukaryontischen Zelle, die bestimmte Funktionen erfüllen (die „inneren Organe der Zelle“).

Klassifikation

Membranumschlossene Organellen:

  • Plasmamembran
  • Zellkern
  • Golgi-Apparat
  • Endoplasmatisches Retikulum (ER)
  • Mitochondrien
  • Lysosomen
  • Peroxisomen
  • Vakuolen

Nicht membranumschlossene Organellen:

  • Ribosomen
  • Zentriolen
  • Nukleolen
  • Proteasomen
  • Geißeln / Zilien
The cell and cellular organelles

Die Zelle und ihre Organellen
ER: endoplasmatisches Retikulum

Bild von Lecturio.

Membranumschlossene Organellen

Plasmamembran

  • Doppelschicht aus Lipiden und Proteinen, die die Zelle umgibt
  • Trennung der Zelle von der Umgebung
  • Kontrolle über den Eintritt und Austritt von gelösten Stoffen in das Zellinnere
  • Verankerung von Membranproteinen
Structure of plasma membrane

Schematische Darstellung der Plasmamembran

Bild von Lecturio.

Zellkern (Nukleus)

Aufbau:

  • Umgeben von einer Kernhülle bestehend aus zwei Phospholipid-Doppelschichten mit Proteinkanälen (Kernporen), die durch einen perinukleären Raum voneinander getrennt sind
  • Das Innere des Kerns ist mit Nukleoplasma gefüllt (Zusammensetzung ähnelt dem Zytoplasma).
  • Chromosomen befinden sich im Nukleoplasma

Funktionen:

  • Transkription (DNA → RNA) und Transkriptionsregulation
  • Posttranskriptionelle RNA-Prozessierung
  • Transport von RNA in das Zytoplasma durch die Kernporen
  • DNA-Replikation
  • Schutz der DNA vor Enzymen und Stoffwechselprodukten der Zelle

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Aufbau:

  • Netzwerk membranumschlossener Strukturen, die Zisternen und Tubuli genannt werden
  • Zusammengehalten durch das Zytoskelett
  • Übergang in die äußere Membran der Kernhülle
  • Übergang des Lumens des ER in den perinukleären Raum
  • Erythrozyten und Spermatozoen enthalten kein ER.
  • Raues ER (rER): rauer Anteil des ER, an den Ribosomen gebunden sind
  • Glattes ER (Englisches Akronym: sER): glatter Anteil ohne Ribosomen

Funktionen:

  • rER:
    • Proteinbiosynthese und Proteinfaltung
    • Verpackung von Syntheseprodukten in Vesikeln
    • Produktion sekretorischer Proteine, die für den Export bestimmt sind
    • Anfügen von N-glykosidisch gebundenen Oligosacchariden an Proteine
    • Synthese integraler Membranproteine (Bestandteile der Plasmamembran)
    • Beispiele:
      • rER in Neuronen (Nissl-Schollen): Synthese von Peptid-Neurotransmittern zur Sekretion
      • rER im Dünndarm: Becherzellen produzieren Schleim, Plasmazellen produzieren Antikörper
  • sER:
    • Lipid- und Steroidsynthese zur Exkretion
    • Entgiftung (Arzneimittel und toxische Substanzen)
    • Beispiele:
      • Sarkoplasmatisches Retikulum ist das sER der Myozyten: Speicherung von Kalzium und Freisetzung, um Muskelkontraktionen auszulösen
      • Steroidproduzierende Zellen in der Leber, Nebennierenrinde und den Gonaden verfügen über ein ausgeprägtes sER.
Endoplasmatisches Retikulum

Endoplasmatisches Retikulum (ER):
Gewundenes Netzwerk dünner, schlauchförmiger Membranstrukturen, die in enger Verbindung mit dem Zellkern stehen

Bild : „Endoplasmic Reticulum“ von OpenStax. Lizenz: CC BY 3.0

Golgi-Apparat

Aufbau:

  • Ansammlung abgeflachter membranumschlossener Scheiben (Zisternen)
  • Vesikuläre Strukturen, die sich vom ER abgelöst haben
  • Meist in Kernnähe lokalisiert

Funktionen:

  • Aufnahme und Transport der am ER synthetisierten Proteine
  • Bildung von Proteoglykanen
  • Sortieren, Verpacken und Verarbeiten von Syntheseprodukten in Vesikeln:
    • Cis-Golgi-Netzwerk:
      • Aufnahme von Proteinen aus dem ER in die Membranvesikel
      • Frühe Stadien der posttranslationalen Proteinmodifikation
    • Trans-Golgi-Netzwerk: späte Modifikation und Verpackung von Proteinen in Vesikel für den intrazellulären Gebrauch oder die Exozytose
  • Beispiel: Plasmazellen haben einen stark ausgeprägten Golgi-Apparat, um Antikörper zu produzieren.
Golgi-Apparat

Golgi-Apparat als Teil des sekretorischen Weges, den ein Plasmamembran-gebundenes Protein durchläuft:
(a) Schematische Darstellung
(b) Elektronenmikroskopische Aufnahme

Bild : „Golgi Apparatus“ von OpenStax. Lizenz: CC BY 4.0

Mitochondrien

Aufbau:

  • Umschlossen von einer Doppelmembran (innere und äußere Doppelschicht aus Lipiden und Proteinen)
  • Intermembranraum zwischen den beiden Schichten
  • Die innere Membran bildet Cristae (Einfaltungen).
  • Der innere Membranraum zwischen den Cristae wird als mitochondriale Matrix bezeichnet.

Funktionen:

  • Oxidative Phosphorylierung und Energiegewinnung in Form von ATP
  • Reaktionsort zahlreicher biochemischer Prozesse:
    • Citrat-Zyklus: Schlüsselprozess bei der ATP-Erzeugung
    • Fettsäureoxidation (β-Oxidation)
    • Acetyl-CoA-Produktion
    • Ketogenese
  • Wärmeproduktion:
    • Protonenströme durch die innere Mitochondrienmembran (mitochondriale Entkopplung)
    • Protonen diffundieren entlang eines elektrochemischen Gradienten unter Umgehung der ATP-Synthase, sodass die Energie in Form von Wärme freigesetzt wird (braunes Fettgewebe)
  • Kalziumspeicherung:
    • Kurzfristig
    • Mitochondrien wirken als zytosolische Puffer von Kalziumionen
  • Regulierung der Zellproliferation durch ATP-Produktion

Vakuolen

Aufbau:

  • Große membranumschlossene Hohlräume
  • Bildung durch Verschmelzung kleiner membranumschlossener Vesikel

Funktionen:

  • Lagerung von Abfallprodukten, Wasser, gelösten Stoffen und Enzymen
  • Isolation toxischer Substanzen vom Rest der Zelle
  • Aufrechterhaltung des pH-Werts
  • Exozytose und Endozytose

Lysosomen

  • Membranumschlossene kugelförmige Vesikel, die hydrolytische Enzyme enthalten
  • Abbau von Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und Lipiden
  • Entsorgungssystem
  • Verdauung von intrazellulären (Autophagie) und extrazellulären (Endozytose) Substanzen

Peroxisomen

  • Membranumschlossene oxidative Organellen
  • Eliminierung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS):
    • Wasserstoffperoxid wird aus molekularem Sauerstoff und Wasserstoff aus organischen Verbindungen gebildet.
    • Die Katalase reduziert mithilfe von Wasserstoffperoxid andere Verbindungen. Dabei entsteht Wasser.
  • Abbau von Fettsäuren:
    • β-Oxidation von sehr langkettigen Fettsäuren (Englisches Akronym: VLCFAs)
    • α-Oxidation von verzweigten Fettsäuren
  • Entgiftung von Ethanol, Phenol, Formaldehyd und anderen Substanzen
  • Synthese von Plasmalogen (Vorläufer von Myelin)
  • Synthese von Gallensäuren

Nicht membranumschlossene Organellen

Ribosomen

Aufbau:

  • Zusammengesetzt aus einer kleinen (30S) und großen (50S) ribosomalen Untereinheit
  • Die Untereinheiten bestehen aus ribosomaler RNA und Proteinen.
  • Vorkommen als freie Ribosomen im Zytosol, gebunden an das rER und in Mitochondrien

Funktion:

  • Translation von RNA im Rahmen der Proteinbiosynthese
  • Proteinfaltung
Ribosome translating polypeptide chain off the matrix RNA

Ribosomen (zusammengesetzt aus einer kleinen und großen Untereinheit) translatieren eine mRNA in eine Polypeptidkette. Dafür binden mit Aminosäuren beladene tRNAs mit komplementären Anticodons an spezifische Bindungsstellen. tRNA: transfer RNA; A-Stelle: Aminoacyl-Stelle; P-Stelle: Peptodyl-Stelle, mRNA: messenger RNA

Bild von Lecturio.

Nukleolus (Kernkörperchen)

  • Größte Struktur im Zellkern
  • Zusammengesetzt aus DNA, RNA und Proteinen
  • Funktionen:
    • Ribosomenbiogenese
    • Bildung von Signalerkennungspartikeln (Englisches Akronym: SRPs)
Nukleolus

Mikrofotografie des Nukleus und des Nukleolus

Bild : „Nucleus&Nucleolus“. Lizenz: Public Domain

Proteasomen

  • Proteinkomplexe, die Proteasen enthalten
  • Abbau nicht benötigter oder beschädigter Proteine

Flagellen und Zilien

  • Zytoskelettstrukturen aus Mikrotubuli
  • Verantwortlich für Zellmigration und Sinnesfunktionen
  • Spermien verwenden Flagellen zur Fortbewegung.
  • Epithelzellen verwenden Zilien zur Chemo-, Thermo- und Mechanosensation.

Zentriolen

Aufbau:

  • Zylindrische Organellen, die aus Mikrotubuli bestehen
  • Kurze, zylinderförmig angeordnete Mikrotubulitripletts
  • Die Einheit aus Zentriolenpaar (Diplosom) und Zentroplasma wird als Zentrosom bezeichnet.

Funktionen:

  • Zellteilung (Spindelapparat bei der Mitose)
  • Zellorganisation:
    • Verankerung des Zytoskeletts
    • Organisation von Mikrotubuli im Zytosol und Festlegung der Zellstruktur
  • Ausbildung, Anordnung und Funktion von Flimmerhärchen und Geißeln
Centriole

Schematische Darstellung der Zentriolen: zylindrische Organellen, die aus Mikrotubulitripletts bestehen

Bild : „Figure 04 03 08“ von CNX OpenStax. Lizenz: CC BY 4.0

Klinische Relevanz

  • Ethanol-Stoffwechsel: Die Acetaldehyd-Dehydrogenase ist ein Enzym, das am letzten Reaktionsschritt bei der Umwandlung von Ethanol zu Acetat beteiligt ist und in den Mitochondrien vorkommt. Das Medikament Disulfiram führt bei Alkoholkonsum zu erhöhten Acetaldehydspiegeln und verstärkten Intoxikationserscheinungen indem es die Acetaldehyd-Dehydrogenase hemmt. Im Sinne einer Aversionstherapie wird das Medikament bei der Behandlung von Alkoholabhängigkeit eingesetzt. Das Antibiotikum Metronidazol hat eine ähnliche Reaktion zur Folge.
  • Lysosomale Speicherkrankheiten: Gruppe genetisch bedingter Stoffwechselerkrankungen, die auf Störungen der lysosomalen Funktion zurückzuführen sind. Lysosomale Speicherstörungen werden in der Regel durch den Mangel eines einzelnen Enzyms verursacht, das am Stoffwechsel von Lipiden, Glykoproteinen (zuckerhaltigen Proteinen) oder Mucopolysacchariden beteiligt ist.
  • Mitochondriale Myopathien: Gruppe von Erkrankungen, denen eine gestörte mitochondriale Funktion zugrunde liegt, die zu einer Muskelschwäche führen kann. Die Symptome und ihr Schweregrad variieren je nach spezifischem Subtyp. Zur Diagnose ist eine Muskelbiopsie erforderlich.
  • Zellweger-Syndrom: Tödlich verlaufende Erkrankung, die durch Hypotonie, Hepatomegalie und Krampfanfälle gekennzeichnet ist. Es handelt sich um eine autosomal-rezessiv vererbte Störung der Peroxisomenbiogenese. Aufgrund der fehlenden Peroxisomen sind Zellen nicht in der Lage, VLCFAs und verzweigte Fettsäuren abzubauen.
  • Maligne Hyperthermie: Autosomal-dominant vererbte Regulationsstörung des Calciumtransports in der Skelettmuskulatur, die zu einer hypermetabolischen Krise führt. Die Therapie erfolgt mittels Dantrolen. Dantrolen ist ein Medikament, das die Freisetzung von Calciumionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum verhindert und somit die Muskelkontraktilität hemmt.

Quellen

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P., Wilson, J., Hunt, T. (2014). Molecular Biology of the Cell (6. Aufl.). Girlande Wissenschaft.
  2. Campbell, N., Reece, J., Mitchell, L. (2002). Biology (6. Aufl.). Benjamin Cummings.
  3. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S., et al. (2000). Molecular Cell Biology. 4. Auflage. New York: WH Freeman. Abschnitt 5.4, Organelles of the Eukaryotic Cell. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21743/

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Wolfgang A. Erharter ist Managementtrainer, Organisationsberater, Musiker und Buchautor. Er begleitet seit über 15 Jahren Unternehmen, Führungskräfte und Start-ups. Daneben hält er Vorträge auf Kongressen und Vorlesungen in MBA-Programmen. 2012 ist sein Buch „Kreativität gibt es nicht“ erschienen, in dem er mit gängigen Mythen aufräumt und seine „Logik des Schaffens“ darlegt. Seine Vorträge gestaltet er musikalisch mit seiner Geige.

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Dr. Frank Stummer ist Gründer und CEO der Digital Forensics GmbH und seit vielen Jahren insbesondere im Bereich der forensischen Netzwerkverkehrsanalyse tätig. Er ist Mitgründer mehrerer Unternehmen im Hochtechnologiebereich, u.a. der ipoque GmbH und der Adyton Systems AG, die beide von einem Konzern akquiriert wurden, sowie der Rhebo GmbH, einem Unternehmen für IT-Sicherheit und Netzwerküberwachung im Bereich Industrie 4.0 und IoT. Zuvor arbeitete er als Unternehmensberater für internationale Großkonzerne. Frank Stummer studierte Betriebswirtschaft an der TU Bergakademie Freiberg und promovierte am Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe.

Simon Veiser

Simon Veiser beschäftigt sich seit 2010 nicht nur theoretisch mit IT Service Management und ITIL, sondern auch als leidenschaftlicher Berater und Trainer. In unterschiedlichsten Projekten definierte, implementierte und optimierte er erfolgreiche IT Service Management Systeme. Dabei unterstützte er das organisatorische Change Management als zentralen Erfolgsfaktor in IT-Projekten. Simon Veiser ist ausgebildeter Trainer (CompTIA CTT+) und absolvierte die Zertifizierungen zum ITIL v3 Expert und ITIL 4 Managing Professional.

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Alexander Plath ist seit über 30 Jahren im Verkauf und Vertrieb aktiv und hat in dieser Zeit alle Stationen vom Verkäufer bis zum Direktor Vertrieb Ausland und Mediensprecher eines multinationalen Unternehmens durchlaufen. Seit mehr als 20 Jahren coacht er Führungskräfte und Verkäufer*innen und ist ein gefragter Trainer und Referent im In- und Ausland, der vor allem mit hoher Praxisnähe, Humor und Begeisterung überzeugt.

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