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Die Zelle: Basics

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Die Zelle (von cellula: kleiner Raum) ist die kleinste lebende Struktur- und Funktionseinheit des Körpers. Es gibt viele verschiedene Zelltypen, die sich in ihrer Struktur und Funktion erheblich unterscheiden, aber in einem funktionsfähigen und gesunden Körper geordnet zusammenleben und kooperieren. Hier wird auf die Zellen des menschlichen Körpers fokussiert.

Die Zelle als Baustein komplexer Lebewesen

Die Zelle ist die kleinste lebende Einheit im Körper. Sie kann ihre Form und Funktion lange Zeit aufrecht erhalten und sich in zwei gleichartige Zellen teilen. Entsprechend ihrer Funktion gibt es verschiedene Zelltypen. In einem vielzelligen Organismus arbeiten sie eng zusammen und ziehen aus der Kooperation Vorteile. Höhere Lebewesen sind durch Zunahme ihrer spezieller Fähigkeiten niederen bezüglich mancher Aspekte deutlich überlegen.

Ein herausragendes Merkmal von Zellen in vielzelligen Organismen ist ihre Fähigkeit zur Differenzierung. Zunächst undifferenzierte Zellen entwickeln sich zu kooperierenden spezialisierten Zelltypen. Dieser Prozess ermöglicht die Bildung von Geweben und Organen mit unterschiedlichen Funktionen und Eigenschaften. Jeder Zelltyp schafft dabei seine optimale Mikroumgebung.

Zelltypen, die solche spezifische Funktionen ausüben, sind zum Beispiel Nervenzellen (Neuronen). Sie sind für die Übertragung von elektrischen Impulsen und die Informationsverarbeitung im Gehirn und Nervensystem verantwortlich. Muskelzellen ermöglichen die Kontraktion und Bewegung des Körpers. Weiße Blutzellen (Leukozyten) spielen eine wichtige Rolle bei der Immunabwehr gegen Krankheitserreger. Epithelzellen bilden die äußere Oberfläche des Körpers, die Haut, sowie die inneren Oberflächen des Magendarmtrakts und von Hohlorganen.

Zellen kommunizieren miteinander über verschiedene Mechanismen wie chemische Signale, elektrische Impulse oder direkte Kontakte. Durch die vielfältige Kommunikation können sie sich koordinieren, um auf äußere Reize zu reagieren oder zu agieren, Gewebe zu regenerieren oder den Körper vor Krankheitserregern zu schützen. Signalwege und Checkpoints spielen dabei eine große Rolle. Die verschiedenen Wege, auf denen die Zellen Informationen untereinander austauschen, wie die neuronalen oder endokrinen Kommunikationswege, bilden ein großes Informationsnetzwerk des Körpers, dessen Fähigkeiten in den Fähigkeiten der einzelnen vielfältig spezialisierten Zellen begründet ist.

Die koordinierte Zusammenarbeit verschiedener Zelltypen ermöglichen es einem vielzelligen Körper, seinen Zellen unterschiedliche Funktionen zuzuordnen. Solche eine funktionelle Differenzierung hat in der Evolution erhebliche Vorteile ergeben. Die Kooperation von Muskelzellen mit Nervenzellen zusammen beispielsweise ermöglichen koordinierte Bewegungen. Verschiedene Zelltypen im Verdauungstrakt arbeiten zusammen, um Nährstoffe aufzunehmen und Abfallprodukte auszuscheiden. Die fein abgestimmte Zusammenarbeit verschiedenster Zelltypen des Immunsystems ermöglichen eine Erkennung und Bekämpfung von Krankheitserregern. Die Zusammenarbeit von Nervenzellen und Gliazellen im Gehirn ist Voraussetzung für die hochgradig komplexen Abläufe unseres Fühlens, Denkens und Handelns. Jede einzelne Zelle wäre zu dem, was ein Organ oder der gesamte Organismus kann, alleine nicht fähig.

Wie sich Zellen in der Evolution aus Unbelebtem vor etwa 4 Milliarden Jahren zu eigenständigen lebenden Einheiten mit einem Stoffwechsel, einer Energiegewinnung und einer Fortpflanzungsfähigkeit entwickelt haben, ist noch nicht geklärt. Es gibt eine Reihe interessanter Hypothesen, auf die hier jedoch nicht eingegangen wird. (1)Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2015 Sep 26;370(1678):20140330. DOI: 10.1098/rstb.2014.0330 (2)Genes (Basel). 2021 May 27;12(6):823. DOI: 10.3390/genes12060823 (3)Bioessays. 2007 Jul;29(7):668-77. doi: 10.1002/bies.20601

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Die Organellen – Bestandteile jeder Zelle

Damit Zellen ihre Funktionen erfüllen können, beinhalten sie verschiedene Funktionseinheiten, die Organellen. Ein Organell ist ein spezieller Funktionsbereich in der Zelle (“Organchen”; Analogie zum Organ im Körper). Der von Organellen freie Bereich des Zellinneren ist das Zytoplasma (Cytoplasma) mit seinem flüssigen Zytosol (Cytosol) und dem in ihm integrierten Zytoskelett das der Aufrechterhaltung der Zellform dient. Hier folgt ein Überblick wichtiger Organellen, die praktisch in jeder Zelle vorkommen.

  • Zellkern: Der Zellkern ist das zentrale Steuerungsorgan der Zelle. Er ist von einer Kernmembran umgeben und enthält die Baupläne für alle Zellstrukturen, Enzyme und Mediatorstoffe des Körpers in Form der Gene. Die Gene werden nach Bedarf an- und abgeschaltet. Sie werden durch Reparaturmechanismen strukturell und funktionell arbeitsfähig und intakt gehalten und vor Schäden geschützt. Der Zellkern ist der übergeordnete Organisator von Zellwachstum und Zelldifferenzierung.
  • Mitochondrien: Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle und produzieren die von den Zellen nutzbare Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP). Sie tragen zur Aufrechterhaltung des Energiestoffwechsels, zu Entgiftungsprozessen und zu vielfältigen weiteren Funktionen der Zellen bei. Die einzigartige Eigenschaft von Mitochondrien, ihr eigenes Genom zu besitzen, macht sie zu einem faszinierenden Organell in der Zellbiologie.
  • Endoplasmatisches Retikulum (ER): Das ER ist ein Netzwerk von Membranen, das in der Zelle verschiedene Funktionen ausübt. Das „raue ER“ ist mit Ribosomen besetzt und ist für die Eiweißsynthese verantwortlich, während das „glatte ER“ an der Synthese von Fetten und dem Abbau von Giftstoffen beteiligt ist.
  • Golgi-Apparat: Der Golgi-Apparat ist ein zentrales Organell, das für die Modifikation, Sortierung und Verpackung von Proteinen und Lipiden in kleine Bläschen (Vesikel) verantwortlich. Er spielt eine entscheidende Rolle beim intrazellulären Transport und der Sekretion von Proteinen.
  • Lysosomen: Lysosomen sind mit Enzymen gefüllte Vesikel, die für den Abbau von großen Molekülen, Fremdstoffen und die Beseitigung von Zelltrümmern zuständig sind. Aus einigen Zelltrümmern werden wiederverwertbare Bruchstücke hergestellt. Sie ermöglichen der Zellen damit ein ökonomisches Recycling.
  • Zellmembran: Die Zellmembran umgibt die Zelle und reguliert die Aufnahme und die Abgabe von Stoffen sowie den Kontakt mit der Umgebung, insbesondere mit anderen Zellen. Sie besteht aus einer Lipiddoppelschicht mit eingebetteten Proteinen. Diese Proteine dienen als Rezeptoren für Signalstoffe, als Poren für den Durchlass bestimmter Moleküle, als Carrier für den Transport definierter Moleküle durch die Membran und zur Kennzeichnung der betreffenden Zelle für andere Zellen und das Immunsystem.
  • Zytoskelett: Es ist keine mikroskopisch erkennbare Struktur, sondern ein Filament-Netzwerk aus Proteinen, die sich zu Mikrofilamenten, Zwischenfilamenten und Mikrotubuli zusammenlegen. Das Zytoskelett ist hochvariabel und formt sich nach Bedarf ständig um.

Es gibt weitere Strukturen und Organellen mit spezifischen Funktionen, die jeweils einen besonderen Zelltyp, wie z. B. eine Muskelzelle, eine Drüsenzelle oder eine Nervenzelle, charakterisieren.

Alle Zellbestandteile außer dem Kern werden als Cytoplasma zusammengefasst. Die Grundsubstanz des Cytoplasmas ohne die in ihm befindlichen Zellorganellen ist das Cytosol. In ihm befindet sich das Cytoskelett mit Filamenten und Mikrotubuli.

Die Hauptbestandteile einer jeden Zelle werden im Folgenden genauer dargestellt.

Der Zellkern

Der Zellkern ist ein zentrales Organell in eukaryotischen (kernhaltigen) Zellen, das von der Kernmembran, einer Doppelmembran, umgeben ist. Er beherbergt den genetischen Code, die Erbanlagen, und verwaltet die Steuerungsmechanismen der zellulären Aktivitäten.

Der Kern besitzt Mechanismen, seine Gene zu schützen, zu reparieren und nach Bedarf an- und abzuschalten. Er ist auch für die Zellteilung verantwortlich, indem er sicherstellt, dass jede Tochterzelle eine vollständige und möglichst fehlerfreie Kopie des genetischen Materials erhält.

Der Hauptbestandteil des Zellkerns ist die DNA (Desoxyribonukleinsäure). Sie ist die Grundlage des genetischen Codes, der die Anweisungen für den Aufbau und die Funktion der Zelle (den „Bauplan“) enthält. Innerhalb des Kerns befindet sich ein kleinerer Bereich, der Nukleolus, der für die Produktion von Ribosomen zuständig ist, die für die Eiweißsynthese erforderlich sind.

Der Zellkern reguliert über seine Gene die Synthese von Proteinen, indem er die Information dazu über Boten (Messenger-RNA, mRNA, Boten-Ribonukleinsäure) an die Fabriken im Zellplasma, die Ribosomen des rauen ER, sendet. Dazu werden die erforderlichen Gene bei Bedarf, der dem Kern über Signalwege gemeldet wird, freigeschaltet, so dass eine Transkription (Umschreibung) der DNA in mRNA erfolgen kann. Diese werden dann ins Zellplasma zum rauen ER losgeschickt.

Nicht jede Körperzelle hat einen Zellkern. Rote Blutkörperchen (Erythrozyten) beim Menschen beispielsweise haben ihn bei ihrer Reifung abgebaut. Vorübergehend sind die Bruchstücke in Vorstufen, den Retikulozyten, noch sichtbar.

Mitochondrien

Mitochondrien sind Organellen, die in den Zellen von kernhaltigen (eukaryotischen) Organismen vorkommen und eine zentrale Rolle im Energiestoffwechsel spielen. Sie werden als die “Kraftwerke” der Zelle bezeichnet. Mitochondrien sind von einer doppelten Membran umgeben und enthalten ihr eigenes Genom in Form von ringförmiger DNA. Interessanterweise haben Mitochondrien eine eigene DNA (mtDNA), die unabhängig von der zellulären DNA repliziert wird. Diese DNA enthält Gene, die für die Produktion von Proteinen notwendig sind, die in den Mitochondrien selbst benötigt werden. (4)Cell. 2012 Mar 16; 148(6): 1145–1159. doi: 10.1016/j.cell.2012.02.035

Mitochondrien werden bei der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle nur von der Eizelle weitergegeben. Spermien verlieren unmittelbar nach der Befruchtung ihre Mitochondrien. Mitochondrien werden damit alleine mütterlicherseits vererbt.

Die Hauptfunktion der Mitochondrien besteht darin, Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) zu erzeugen. Dieser Prozess findet in den gefalteten inneren Membranen der Mitochondrien statt, die als Cristae bezeichnet werden. Er erfolgt sequenziell, wobei die an ihm beteiligten Enzyme (Cytochrome) in Komplexen nahe beieinander liegen; sie funktionieren als eine „Atmungskette“. Der Prozess wird als Zellatmung bezeichnet. Er liefert die chemische Energie für den Aufbau- und Energiestoffwechsel in Form von ATP (Adenosintriphosphat). Die Energiegewinnung erfolgt durch den Endabbau von Zuckern (im Citratzyklus, Tricarbonsäurezyklus, TCA).

Bei der Zellatmung wird in kleinem Umfang reaktiver Sauerstoff (ROS, Reactive Oxygen Species) frei, der zu oxidativem Stress der Zelle führen und die Zelle schädigen kann. Die Mitochondrien haben Mechanismen zur Verfügung, diesen an sich toxischen Stress zu kontrollieren und auf niedrigem Niveau zu halten.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Mitochondrien ist ihre Beteiligung an Stoffwechselprozessen, wie dem von Eisen (über die Häm-Biosynthese), von Calcium, von Fetten (Lipiden), Aminosäuren und anderen wichtigen Biomolekülen. Zudem spielen sie eine Rolle bei der Regulation des Zellzyklus und des programmierten Zelltods (Apoptose und Ferroptose).

Mitophagie: Mitochondrien können in gewissem Umfang eigene kleine Defekte reparieren. Wenn sie jedoch nicht reparierbar sind, werden die Mitochondrien von den Zellen, die sie beherbergen, mit Hilfe von Lysosomen zerstört. Dieser Vorgang wird als Mitophagie bezeichnet und dient dem höheren Ziel, die Zelle selbst gesund und funktionsfähig zu halten. Bei bestimmten Krankheiten kann die Mitophagie gestört sein, was zu einem frühzeitigen Zelluntergang führt. Solch eine Störung spielt bei neurodegenerativen Krankheiten, wie der Alzheimer-Demenz, und auch beim Alterungsprozess eine Rolle. (5)Int J Mol Sci. 2020 Dec 18;21(24):9661. doi: 10.3390/ijms21249661

Mitochondriopathie: Vererbliche Mitochondriopathien (MCP, Krankheiten durch angeboren defekte Mitochondrien) führen Erkrankungen verschiedener Organe und zu sehr unterschiedlichen Funktionsdefekten. Sie werden alleine über die mütterliche Erblinie weitergegeben. Sie sind ein weites, rasch wachsendes Forschungsfeld. Eine MCP sollte nach heutiger Auffassung bei jedem Patienten mit ungeklärter fortschreitender Multisystemstörung in Betracht gezogen werden. Eine spezifische Therapie oder gar Heilung ist derzeit nicht verfügbar, so dass die Behandlung symptomatisch bleibt. (6)Eur J Neurol. 2004 Mar;11(3):163-86. doi: 10.1046/j.1351-5101.2003.00728.x

→ Mitochondriale Krankheiten.

Endoplasmatisches Retikulum

Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein Organell, das in eukaryotischen Zellen vorkommt und eine Vielzahl von Funktionen erfüllt. Es besteht aus einem komplexen Netzwerk von Membrankanälen, die sich im gesamten Zytoplasma (Zellleib ohne Kern und sonstige Organellen) erstrecken und ist eng mit anderen Organellen wie dem Golgi-Apparat und den Mitochondrien verbunden. Funktionell spielt es eine zentrale Rolle im zellulären Stoffwechsel und im intrazellulären Transport sowie für das Gleichgewicht der zellulären Prozesse. Das ER ist an der Synthese und dem Transport von Proteinen, Lipiden und Steroidhormonen beteiligt, und es trägt es zur Entgiftung von Stoffwechselprodukten und Medikamenten bei.

Das ER hat zwei Hauptformen:

  • das glatte endoplasmatische Retikulum (SER) und
  • das raue endoplasmatische Retikulum (RER).

Das SER ist für die Synthese von Lipiden, einschließlich Steroidhormonen, und den Abbau von Toxinen (Giftstoffen) verantwortlich. Es spielt auch eine Rolle im Kalziumstoffwechsel und bei der Entgiftung von Fremdstoffen.

Das RER ist mit Ribosomen bedeckt, was ihm eine raue Oberfläche verleiht. Es ist in die Proteinbiosynthese involviert und spielt eine entscheidende Rolle bei der Produktion, Faltung und Modifikation von Proteinen. Die neu synthetisierten Proteine werden in das RER eingeschleust, wo sie weiter verarbeitet und räumlich gefaltet werden. Anschließend werden sie in Vesikel verpackt und zu ihrem endgültigen Bestimmungsort in der Zelle transportiert.

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Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat, auch Golgi-System genannt, ist ein zelluläres Organell, das aus einer Reihe von flachen, membranumschlossenen Strukturen, den Golgi-Zisternen, besteht, die aneinander gestapelt sind. Der Golgi-Apparat ist für eine Vielzahl von Funktionen in der Zelle verantwortlich.

Eine der Hauptfunktionen des Golgi-Apparats besteht darin, Proteine und Lipide zu modifizieren, zu sortieren und zu verpacken. Nachdem Proteine durch das endoplasmatischen Retikulum (ER) synthetisiert wurden, werden sie in Vesikel zum Golgi-Apparat transportiert. Dort erfolgen verschiedene Modifikationen wie eine Zuckeranbindung (Glykosylierung) oder die Anhängung von Seitengruppen (z. B. Phosphorylierung oder Acetylierung).

Eine der Aufgaben des Golgi-Apparats betrifft die Synthese von komplexen Zuckermolekülen (Polysacchariden), die im Bindegewebe (in der extrazellulären Matrix) oder in der Zellwand verschiedener Zelltypen vorkommen. Eine weitere ist die Produktion von Schleimstoffen (Muzinen) und anderen Sekretionsprodukten.

Lysosomen

Lysosomen sind Organellen, die in den meisten tierischen Zellen vorkommen, vielseitig wirksame Verdauungsenzyme enthalten und für den Abbau und die Verdauung von ausgedienten Zellmaterialien zuständig sind. Sie werden oft als “Reinigungskräfte” der Zelle bezeichnet. Sie können Proteine, Lipide, Kohlenhydrate und Nukleinsäuren sowie organische Partikel abbauen.

Eine Hauptfunktion der Lysosomen besteht darin, abgenutzte Organellen, fremde Partikel und beschädigte Zellbestandteile zu recyceln. Sie zerkleinern sie und machen sie wiederverwertbar oder ausscheidungsfähig. Dieser Reinigungsprozess wird als Autophagie bezeichnet. Er ist ein Mechanismus, bei dem Zellen ihre eigenen Organellen abbauen und recyceln, um Energie zu gewinnen oder Zellschäden zu beseitigen mit dem Effekt, die Zelle gesund und funktionsfähig zu erhalten.

Darüber hinaus sind Lysosomen an der Immunabwehr des Körpers beteiligt, da sie Fremdstoffe wie Bakterien oder Viren abbauen können.

Zellmembran

Die Zellmembran ist eine dünne, flexible Hülle, die alle Zellen umgibt und sie von ihrer Umgebung abgrenzt. Sie besteht hauptsächlich aus Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten und erfüllt eine Vielzahl von Funktionen, die für das Überleben und die Funktion der Zelle unerlässlich sind.

Die Lipidkomponente der Zellmembran besteht aus Phospholipiden, die eine doppelschichtige Struktur bilden. In ihr eingelassen sind Poren und Transportmechanismen aus speziellen Proteinen, die bestimmte Stoffe kontrolliert in die Zelle hinein- und aus der Zelle herauslassen.

Auf Proteinen der äußeren Oberfläche der Zellmembran befinden sich Kohlenhydrate in Form von kurzen Zuckerketten, sogenannten Glykolipiden und Glykoproteinen, vor. Sie stellen eine “Glykokalix” der Zelle dar und dienen als Erkennungs- und Andockstellen für Signalmoleküle. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Zellerkennung, Zelladhäsion und Zell-Zell-Kommunikation.

Einige Lipide in der Membran, wie Cholesterin, helfen, die Beweglichkeit der Membran (die Fluidität) zu regulieren und ihre Stabilität zu gewährleisten. Enthält die Membran zu viel Cholesterin, wird sie zu unbeweglich und erlaubt den in ihr integrierten Transportproteinen keine Freiheit mehr bei ihren Transportaufgaben. Wenn die Transportmechanismen durch Veränderung der Membranfluidität, z. B. durch vermehrte Rigidität (Starrheit), leiden, hat das weitreichende Auswirkungen auf alle nachfolgenden Prozesse des Stoffwechsels und der Signalwege für alle möglichen Zellfunktionen. Dies ist beispielsweise in der Leber bei einer Gelbsucht durch Gallestau (Cholestase) der Fall.

Die in die Zellmembran eingelassenen Proteine erfüllen (neben der Funktion des Transports von Stoffen durch die Membran) die Funktion der Erkennung von Botenstoffen. Es sind Rezeptoren (spezifische Empfänger) für Botenstoffe, die in der Zelle eine besondere Funktion anstoßen oder verändern sollen. Diese Rezeptoren und Transportproteine der Zellmembran stellen Schalter für solche Signalwege dar, sog. „Checkpoints“. Da Checkpoints Signalwege für spezielle Zellfunktionen an- und abschalten können, sind sie für eine mögliche therapeutische Beeinflussung besonders interessant. Checkpointhemmer haben bereits bei einigen chronische Krankheiten und in der Tumortherapie eine besondere Bedeutung erlangt. (Dazu siehe unter Signalwege und Checkpoints: Basics.)

Zellreparatur, Zellzerstörung

Zellen und ihre Organellen sind durch Kontakt mit der Umgebung sowie durch fehlerhafte Funktionen von Nachbarzellen und eigenen Organellen ständig Störungen ausgesetzt. Einfache Störungen werden durch zelleigene Reparaturmechanismen oder durch Abbau, Entfernung und Ersatz behoben. Schwerwiegende Defekte führen zu einer programmierten Zerstörung einzelner Organelle (Autophagie, Mitophagie), die durch neue, funktionsfähige ersetzt werden. Wenn die Funktionsfähigkeit der gesamten Zelle nicht gerettet werden kann, zerstört sie sich durch spezielle Mechanismen selbst (z. B. durch Apoptose oder Ferroptose). Durch diese Mechanismen hält sich der Körper sehr effektiv gesund. Wenn Reparaturmechanismen oder Selbstzerstörungsprogramme nicht ordnungsgemäß ablaufen, kann es allerdings zu Krankheiten, so auch zu Krebs, kommen.

Verweise

→ Zum Inhaltsverzeichnis

 

Literatur[+]