Die Zelle ist als Grundbaustein jeglichen Lebens nur wenige µm groß und leistet trotzdem als biologische Organisationseinheit unglaubliches. Im Studium stellt Sie mit ihren zahlreichen Organellen, dem Zytoskelett und den Zell-Zell-Kontakten ein beliebtes Prüfungsthema in der Biologie, Biochemie und Histologie dar. Mit dem nachfolgenden Überblick werden Sie in der Lage sein, die zum Teil tückischen Fragen des schriftlichen Examens zu meistern.
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Bild: “Prototypical Human Cell” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0


Definition der Zelle

Die Zelle als biologische Organisationseinheit ist der kleinste Grundbaustein aller Organismen. Sie ist autonom und erfüllt lebenswichtige Grundfunktionen von Stoffwechsel, Wachstum, Bewegung, Vermehrung und Vererbung.

Eukaryotische und prokaryotische Zellen im Vergleich

Eukaryotische Zellen, auch Eucyten genannt, sind 10-100 µm groß und besitzen einen Zellkern (Nucleus), welcher die DNA mehrerer Chromosomen beinhaltet. Die DNA weist neben den Exons (codierende Gene) auch viele Introns (nicht codierende Gene) auf, welche bei der Proteinbiosynthese durch Vorgänge wie Spleißen entfernt werden.

Das Zytoplasma ist stark kompartimentiert und reich an Zellorganellen. Die Masse der Ribosomen beträgt 80S mit den Untereinheiten 60S und 40S (Massenangabe als Svedberg-Zentrifugationskonstante). Die Atmungskette findet in den Mitochondrien statt. Eukaryoten sind beispielsweise Pilze oder der Mensch.

Die prokaryotische Zelle, auch Protocyte oder Procyte genannt, ist dagegen nur 1-10 µm groß und besitzt anstatt eines Zellkerns lediglich ein Kernäquivalent (Nucleoid). Dieses „kernähnliche“ dicht gepackte Molekül befindet sich frei im Zytoplasma und beherbergt die DNA, welche nur ein Chromosom umfasst und keine Introns aufweist.

Zusätzlich kann ein Plasmid vorliegen (ringförmige, extrachromosomale DNA), welchem eine besondere Rolle bei der Resistenzentwicklung von Bakterien gegen Antibiotika zukommt. Das Zytoplasma ist geringer kompartimentiert und die Atmungskette an der Zytoplasmamembran lokalisiert. Mitochondrien, Golgi-Apparat sowie das endoplasmatische Retikulum fehlen und die Ribosomen haben eine Masse von 70S mit den Untereinheiten 50S und 30S. Bakterien wie Eschericha coli gehören zu den Prokaryoten.

Diese wesentlichen Unterschiede sind beliebte Prüfungsthemen im Bereich der Biologie, aber auch der Biochemie.

Aufbau und Funktion der Zellmembran

Die Zellmembran, auch Plasmalemm genannt, begrenzt das Zytoplasma und dient der Abgrenzung zwischen Intra- und Extrazellularraum. Sie besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht, wobei die hydrophilen Anteile der Phospholipide nach intra-bzw. extrazellulär zeigen und die hydrophoben Anteile zentral in der Membran liegen.

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Bild: “Phospolipid Bilayer” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

An der Außenseite findet sich die Glykokalyx, bestehend aus Zuckerketten (Polysacchariden), die kovalent an die Membranproteine (Glycoproteine) und Membranlipide (Glycolipide) gebunden sind. Sie ist individuell und zelltypspezifisch, d. h. sie bestimmt beispielsweise die Blutgruppeneigenschaften auf den Erythrozyten.

Die Zellmembran ist stabil und flexibel zugleich, gewährleistet durch die Fluidität der Membran, welche sich mit der Temperatur und Lipidzusammensetzung verändern kann. Sie ist semipermeabel (auch selektiv permeabel genannt), das heißt sie ist für kleinmolekulare Stoffe wie Wasser gut durchlässig, sodass diese osmotisch wandern können. Größere molekulare Stoffe wie Proteine benötigen jedoch spezifische Transportsysteme, um die Membran passieren zu können.

Die Funktionalität der Zellmembran wird maßgeblich über ihre Membranproteine bestimmt, dazu gehören: Ionenkanäle, Zelladhäsionsmoleküle, Aquaporine, Membranpumpen, Carrier- und Rezeptorproteine.

Zellmembran

Bild: “Cell Membrane” von philschatz. Lizenz: CC BY 2.0

Aufbau und Funktion des Zellkerns

Zellkern

Bild: “The Nucleus” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Der Zellkern (Nucleus) beinhaltet die DNA, gepackt in Chromosomen und kann je nach Aktivitätszustand in Größe und Struktur variabel sein. Das Karyoplasma wird durch die porenhaltige Kernmembran (Karyolemm) vom Zytoplasma getrennt.

Die Kernmembran besteht aus einer inneren und äußeren Kernmembran und dem dazwischen befindlichen Raum, der Perinuklearzisterne. Die äußere Kernmembran geht fließend in das raue endoplasmatische Retikulum über und ist mit Ribosomen besetzt. Der inneren Kernmembran liegt innen die filzartige Kernlamina (Lamina nuclearis) an, welche aus einer 30-100 nm dicken Schicht von Intermediärfilamenten gebildet wird.

Die ca. 1000-4000 Kernporen dienen dem Stoffaustausch zwischen Zyto- und Karyoplasma, wobei Moleküle < 5 kDa frei diffundieren und größere Moleküle wie Proteine rezeptorgebunden ein- und ausgeschleust werden.

Der Nucleus beinhaltet ein kleines kugelförmiges Kernkörperchen (Nucleolus), in welchem die ribosomale RNA entsteht. Die Transkription als Voraussetzung für die Translation sowie die Replikation als Voraussetzung für die Mitose werden ebenso im Zellkern geregelt.

Funktion des Zytoplasmas

Das Zytoplasma – auch Zytosol genannt – wird von der Zellmembran begrenzt und stellt die flüssige Grundsubstanz jeder Zelle dar. Darin eingebettet befinden sich das Zytoskelett, die Zellorganellen sowie Zelleinschlüsse.

Es ist der Ort der Proteinbiosynthese und Verkehrsraum für Ionenströme sowie den Vesikeltransport zwischen Golgi-Apparat, endoplasmatischem Retikulum und der Zellmembran. Es macht 50% des Zellvolumens aus und der pH-Wert beträgt 7,2.

Einteilung der Zellorganellen

Zellorganellen sind im Zytoplasma eingebettet und werden unterschieden in:

  • Membranbegrenzte Organellen (raues und glattes endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Mitochondrien, Lysosomen, Peroxisomen)
  • Nicht membranbegrenzte Organellen wie Ribosomen oder Zentriolen

Struktur und Funktion der einzelnen Zellorganellen

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Bild: “Prototypical Human Cell” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Hierbei handelt es sich um ein röhrenförmiges Membransystem.

Endoplasmatisches Redikulum

Bild: “Endoplasmic Reticulum (ER)” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Das raue ER ist mit Ribosomen besetzt und dient der Proteinbiosynthese für Endosomen, Transmembranproteine oder sekretorische Granula.

Das glatte ER ist nicht mit Ribosomen besetzt und hat verschiedenste Aufgaben:

  • Calciumspeicherung in glatten und quergestreiften Muskelzellen (hier dann sarkoplasmatisches Retikulum genannt)
  • Synthese von Lipiden und Steroidhormonen
  • Entgiftung körpereigener und –fremder Stoffe innerhalb der Leberepithelzellen

Golgi-Apparat

Dieser Membranstapel aus Diktyosomen (ein Stapel von vier bis zehn membranumhüllten, tellerförmigen Hohlräumen) besitzt eine konvexe Cis-Region und konkave Trans-Region, welche sich gegenüber liegen.

Golgi Apparat

Bild: “Golgi Apparatus” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Die vom rauen ER gebildeten Proteine erreichen den Cis-Golgi mit Hilfe von Transportvesikeln und werden dann innerhalb des Golgi-Apparates modifiziert sowie prozessiert (Phosphorylierung, Sulfatierung, Glykolysierung) und nach dem Zielort sortiert.

An der Trans-Seite findet dann erneut die Verpackung in Sekretionsgranula oder Vesikel statt. Für Enzyme, die z. B. im ER benötigt werden, konnte auch ein retrograder (trans zu cis) Transport nachgewiesen werden.

Mitochondrien

Diese in der Prüfung beliebten „Kraftwerke“ der Zelle dienen der Bereitstellung von Energie durch oxidative Phosphorylierung. Mitochondrien findet man in fast allen Zellen, die Ausnahme stellen reife Erythrozyten dar.

Mitochondrium

Bild: “Mitochondrion” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Mitochondrien besitzen zwei Membranen sowie den dazwischen befindlichen Intermembranraum. Die glatte äußere Membran enthält Porine, die Moleküle bis 10 kDa passieren können und die innere Mitochondrienmembran ist nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung stark gefaltet, begrenzt den Matrixraum und trägt die Enzyme der Atmungskette und ATP-Synthese.

Grundsätzlich unterscheidet man anhand der Faltung der inneren Membran zwei Typen:

  1. Crista-Typ: in stoffwechselaktiven Zellen wie Herzmuskelzellen
  2. Tubulus-Typ: in steroidproduzierenden Zellen

Im Matrixraum sind die Enzyme der ß-Oxidation und des Citratzyklus lokalisiert.

Mitochondrien sind semiautonom, da sie eine eigene ringförmige DNA (mtDNA) besitzen. Die Endosymbiontentheorie besagt, dass Mitochondrien stammesgeschichtlich Prokaryoten waren, die von Eukaryoten im Sinne einer Symbiose aufgenommen wurden. Diese Hypothese wird zusätzlich dadurch bekräftigt, dass Mitochondrien 70S Ribosomen (Untereinheiten 50S und 30S) besitzen und das Bakterienlipid Cardiolipin am Aufbau der inneren Membran beteiligt ist.

Lysosomen

Kennzeichnend für Lysosomen ist ihr saurer pH- (4,5-5) sowie hoher Gehalt an sauren Hydrolasen, dazu zählen u. a. Proteasen, Lipasen, Esterasen, Elastasen, Kollagenasen und saure Phosphatasen. Ihre Funktionen sind die Auto- und Heterophagie, der Abbau zelleigener und -fremder Stoffe. Sobald das primäre Lysosom (noch inaktiv) mit abzubauendem Material verschmilzt, wird es sekundäres Lysosom genannt.

Peroximon

Bild: “Peroxisome” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Peroxisomen

Die vor allem in der Leber und Niere zu findenden Peroxisomen enthalten die Enzyme Peroxidase sowie Katalase und dienen dem Abbau von Fettsäuren mittels Oxidation. Das dabei anfallende Nebenprodukt Wasserstoffperoxid kann zu Zellschäden führen und muss daher mittels der Katalase zu Wasser und Sauerstoff abgebaut werden.

Ribosomen

Die 80S Ribosomen der Eukaryoten bestehen aus zwei Untereinheiten (60S und 40S), welche sich zu einem Drittel aus Proteinen und zwei Dritteln aus rRNA zusammensetzen. Sie können für die Synthese von zytoplasmatischen oder nukleären Proteinen frei im Zytosol vorliegen oder membrangebunden am rauen ER für die Synthese von lysosomalen Proteinen, Export- oder Membranproteinen.

Zentriolen

Dieses aus Mikrotubuli aufgebaute Zellorganell erscheint zylinderförmig. Ein rechtwinklig zueinander angeordnetes Zentriolenpaar bildet das Zentrosom. Dieses wiederum ist der Bildungsort von Mikrotubuli und wird daher auch MTOC (Mikrotubuli-organisierendes Zentrum) genannt.

Zelleinschlüsse

Zelleinschlüsse sind Stoffwechselnebenprodukte, gespeicherte Nährstoffe oder Ansammlungen von exo- oder endogenen Stoffen, die frei im Zytoplasma vorliegen. Hierzu zählt man Glykogenpartikel, intrazelluläre Fetttropfen, pigmentierte Zellstrukturen (Hämosiderin, Lipofuszin, Kohlenstaub) sowie Viruspartikel.

Bei bestimmten Erkrankungen wie der Hämochromatose oder Glykogenspeicherkrankheit liegen Zelleinschlüsse in einem pathologischen Ausmaß vor.

Bestandteile und Aufgaben des Zytoskeletts

Das Zytoskelett befindet sich innerhalb des Zytoplasmas und ist für die Stabilisierung, intrazelluläre Stofftransporte sowie Migration (lat.: migrare = wandern) der Zelle verantwortlich. Dieses dreidimensionale Netzwerk wird gebildet durch Mikrotubuli, Intermediär- und Aktinfilamente. Diese Bestandteile unterliegen einem ständigen Auf- und Abbau, der sogenannten Polymerisierung und Depolymerisierung.

Prüfungstipp: Die Bestandteile und Aufgaben des Zytoskeletts sind ein beliebtes Prüfungsthema.
Die 3 Bestandteile des Zytoskeletts

Bild: “The Three Components of the Cytoskeleton” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Aktinfilamente (F-Aktin)

Sie sind die kleinsten Bausteine des Zytoskeletts mit einem Durchmesser von 7nm und werden auch Mikrofilamente genannt.

F-Aktin besteht aus zwei helikal umeinander gewundenen Aktinketten, welche durch Polymerisierung vieler globulärer Aktinmonomere (G-Aktin) entstehen. Häufig – aber nicht immer – sind Aktinfilamente mit Myosin assoziiert, dem Motorprotein des Aktinsystems. Zusammen bilden sie die Grundlage für den Filamentgleitmechanismus der Muskulatur.

Neben der Veränderung der Zellform haben Aktinfilamente auch stabilisierende Aufgaben, indem Sie das Grundgerüst der Mikrovilli oder den Verankerungspunkt für Desmosomen bilden.

Intermediärfilamente

Mit einem Durchmesser von 10nm bilden sie das passive Stützgerüst der Zelle. Die Expression der Intermediärfilamente variiert unter den Gewebearten, sodass man anhand dieser beispielsweise die Herkunft eines malignen Tumors bestimmen kann:

Intermediärfilament Gewebeart Funktion
Zytokeratin Epithelien Mechanischer Schutz
Vimentin Gewebe mesenchymaler Abstammung z. B. Knorpel- oder Bindegewebe noch nicht vollständig bekannt
Desmin Muskelgewebe Zusammenhalt von Myofibrillen
Saures Gliafibrillenprotein (GFAP) Astrozyten des ZNS Struktur
Neurofilament Nervenzellen Struktur der Axone

Mikrotubuli

Mit einem Durchmesser von 25nm sind sie die größten Bausteine des Zytoskeletts und werden vom Zentrosom (s.o.) ausgehend gebildet. Sie setzen sich aus Dimeren von α- und β- Tubulin zusammen und ähneln optisch einem Hohlzylinder, wobei ein Ende negativ und das andere positiv geladen ist.

Mikrotubuli bestimmen die Lage der Zellorganellen innerhalb der Zelle und bilden das Straßennetz für den gerichteten Stofftransport. Ebenso sind Sie das Grundgerüst von Kinozilien und dem Spindelapparat bei der Mitose und Meiose.

Aufbau und Funktion von Zellkontakten

Anhand der Funktion werden drei Arten von Zellkontakten unterschieden:

  1. Kommunikationskontakte
  2. Haftkontakte
  3. Barrierekontakte als undurchlässige Verbindungen

Kommunikationskontakte

Hierzu zählt man die Gap junctions, auch Nexus genannt, ein absoluter Prüfungsliebling.

Aufgebaut sind sie aus Transmembranproteinen namens Connexin. Sechs Connexine bilden ein Connexon und zwei Connexone bilden dann einen Nexus. Sie ermöglichen die elektrische und metabolische Kommunikation zweier Nachbarzellen untereinander. Besonders viele Gap junctions finden sich z. B. im Glanzstreifen des Myokard.

Haft-/Adhäsionskontakte

Sie dienen der mechanischen Verankerung und bestehen aus drei wesentlichen Bausteinen: Transmembranproteinen, Plaqueproteinen und Zytoskelettkomponenten. Desmosomen findet man zwischen benachbarten Zellen als Zell-Zell-Kontakt. Hemidesmosomen dagegen verbinden die Zelle mit der extrazellulären Matrix als Zell-Matrix-Kontakt.

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die Arten von Haftkontakten, da sie nicht nur in der Histologie sondern z. T. auch in der Biochemie prüfungsrelevant sind.

Art Vorkommen Filamente Adhäsions-molekül Plaqueprotein
Fleckdesmosomen= Maculae adhaerens Myokard, Epithel Intermediärfilamente Cadherine (Desmocollin, Desmoglein) Plakoglobin, Desmoplakin
Punktdesmosomen= Puncta adhaerens ubiquitär Aktinfilamente Cadherine
Gürteldesmosomen= Zonula adhaerens kubisches und hoch-prismatisches Epithel Aktinfilamente Cadherine (meist E-Cadherine) Α-Aktinin, Vinculin, Catenin
Streifen-desmosomen= Fasciae adhaerens Glanzstreifen Myokard Aktinfilamente Integrin Talin, Vinculin, α-Aktinin
Hemidesmosomen zwischen Epithelzelle und Basallamina Intermediär-filamente Integrin, Kollagen Plektin, Dystonin

Barriere-/Verschlusskontakte

Sie werden Tight junctions bzw. Zonula occludens genannt und entstehen durch eine Verschmelzung der äußeren Membranen benachbarter Zellen. Der Interzellularspalt ist somit in diesem Bereich gürtelförmig verschlossen, sodass der parazelluläre Molekülfluss behindert wird (Diffusionsbarriere). Wichtige beteiligte Transmembranproteine sind Occludin und Claudin.

Schlussleistenkomplex

Dieser Haftkomplex dient als selektive Permeabilitätsbarriere und besteht von apikal nach basal betrachtet aus: Zonula occludens, Zonula adhaerens, Macula adhaerens.

Beliebte Prüfungsfragen zur Zelle

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Welche Aussage zu Mitochondrien trifft nicht zu?

  1. Sie besitzen eigene ringförmige DNA.
  2. Sie kommen in allen Zellen vor.
  3. Der Matrixraum ist der Ort der β-Oxidation.
  4. Das Bakterienlipid Cardiolipin ist ein Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran.
  5. Sie besitzen 70S Ribosomen.

2. Welche Zuordnung von Gewebearten und Intermediärfilamenten ist falsch?

  1. Neurozyten – Neurofilament
  2. Fibrozyten – Vimentin
  3. Myozyten – Desmin
  4. Osteozyten – GFAP
  5. Epidermis – Zytokeratin

3. Welche Größenreihenfolge der Bausteine des Zytoskeletts ist richtig?

  1. Mikrotubuli < Aktinfilament < Intermediärfilament
  2. Aktinfilament < Mikrotubuli < Intermediärfilament
  3. Intermediärfilament < Aktinfilament < Mikrotubuli
  4. Aktinfilament < Intermediärfilament < Mikrotubuli
  5. Intermediärfilament < Mikrotubuli < Aktinfilament

 



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