Zellbiologie

Die Zellbiologie stellt einen wichtigen Teilbereich der Biologie dar, der mithilfe von molekularbiologischen Methoden den Aufbau und die Funktionen von Zellen erforscht, um die biologischen Prozesse auf Zellebene zu verstehen. Es wird untersucht, wie Zellen arbeiten, wie sie sich verändern und wie sie miteinander interagieren. Es werden Mikroskope und andere Werkzeuge genutzt, um Zellen im Detail zu betrachten.

Zellbiologie Definition

Zellbiologie Geschichte

Hier erhältst Du einen kurzen Überblick über die Geschichte und die bedeutendsten Entwicklungsschritte der Zellbiologie.

Entdeckung der Zellen

Ihren Beginn findet die Zellbiologie 1590 mit der Erfindung des einfachen Lichtmikroskops durch die Brüder Janssen. Dieses Mikroskop besteht allerdings nur aus zwei Linsen, dem Objektiv und dem Okular. Daraufhin entdeckte Robert Hooke 1665 durch diese Apparatur kleine Hohlräume im Korken einer Flasche. Diese Hohlräume nannte er übersetzt Zellen, womit der den Zellbegriff fundamental prägte.

Abbildung 1: Auflichtmikroskop von Robert Hooke

Entdeckung der ersten Mikroorganismen

Die ersten Mikroorganismen, wie Bakterien oder Einzeller wurden zwischen 1674 und 1700 durch Antoni von Leeuwenheok entdeckt. Er erreichte mit seinen selbst gebauten Lichtmikroskopen eine 270-fache Vergrößerung. So untersuchte er bereits die roten Blutkörperchen.

Abbildung 2: Antoni von Leeuwenhoek (1632-1723)

Erste Beschreibungen der Zellorganismen

1831 wurde durch Robert Brown der Zellkern einer Orchideen-Zelle entdeckt. Daraufhin beschrieben Matthias Schleiden und Theodor Schwann den Aufbau der Zellen und stellten fest, dass lebende Organismen aus Zellen bestehen müssen. Sie formulierten grundlegende Aussagen der Zellenlehre.

Durch Rudolf Virchow wurde 1855 entdeckt, dass die Entwicklung der organischen Welt eine ununterbrochene Kette von Zellteilungen darstellt und jede Zelle aus einer anderen entsteht.

Robert Koch beschreibt 1882 erstmals das Tuberkel-Bakterium, das er durch ein Lichtmikroskop entdeckte. Dieses Bakterium löst die Krankheit Tuberkulose aus.

Abbildung 3: Tuberkel-Bakterium in der Ziehl-Neelsen-Färbung

Zellbiologie Zusammenfassung & Themen

Die Zellbiologie befasst sich ähnlich wie die Biochemie mit der Struktur und Funktion von Zellen. Es geht darum, ihren Aufbau, ihre molekularen Bestandteile und die Untergliederung in Kompartimente und Organellen zu untersuchen.

Des Weiteren werden auch Prozesse wie die Zellteilung, Bewegung, Organbildung und Zellkommunikation genauer betrachtet. Somit überschneidet sich der Bereich der Zellbiologie mit dem Aufgabenbereich der Biochemie und der Medizin. Auch sind die Grenzen zur unter anderem der Genetik aufgrund ihrer molekularen Ausrichtung fließend.

Molekularbiologie

Ein Überbegriff der Zellbiologie kann auch die Molekularbiologie sein. Hier werden Kohlenhydrate, Proteine, Lipide und Nukleinsäuren sowie ihre Wechselwirkungen miteinander im Plasma der Zelle untersucht. Nicht zuletzt werden auch die Organisationsprinzipien und der Energie- und Baustoffwechsel von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen sowie die Weitergabe und Umsetzung der Erbinformation erforscht.

Schlussendlich werden auch mögliche Störungen der biochemischen Abläufe beim Menschen lokalisiert.

Grundlagen der Zellbiologie

Eukaryoten

Unter dem Begriff Eukaryoten werden typischerweise Zellen von Tieren, Pflanzen und Pilzen zusammengefasst.

Ein- und Mehrzeller

Als Einzeller bezeichnet man Organismen, deren Existenz auf nur einer einzigen Zelle beruht. Dies können Prokaryoten sein, aber auch einzellige Pflanzen oder Pilze können Einzeller sein. Organismen, die sich aus mehreren Zellen zusammensetzen, bezeichnet man als Mehrzeller. Die Zellen kooperieren miteinander, indem sie alle unterschiedlich spezialisiert sind und so eine komplexe Aufgabenteilung gewährleistet werden kann.

Zellorganellen

Die Zellorganellen sind Bereiche innerhalb einer Zelle, die durch Membranen voneinander abgegrenzt werden. Im Gegensatz zu Eukaryoten, die zahlreiche Organellen im Zellinneren besitzen, findet man im Inneren einer prokaryotischen Zellen keine definierten Organellen. Viele Zellorganellen finden sich sowohl in Pflanzen- als auch in Tierzellen, wie die Mitochondrien, den Zellkern, den Golgi-Apparat und das endoplasmatische Retikulum. Vakuole und Plastiden sind Zellorganellen, die dagegen nur in Pflanzenzellen vorkommen.

Zell-Zell-Verbindungen

Damit Zellen sich miteinander austauschen und optimal zusammenarbeiten können, brauchen sie Zell-Zell-Verbindungen. Mit dem Elektronenmikroskop lassen sich diese interzellulären Verbindungen gut erkennen. So gibt es Verbindungen, die den Zusammenhalt von Zellen gewährleisten (Adhering junction), oder die sogenannten Epithelien. Sie verhindern Diffusion (Tight junction). Natürlich gibt es auch Verbindungen, die einen direkten Stoffaustausch von Zelle zu Zelle ermöglichen (Gap junction).

Biomembran

Die Biomembran besteht aus einer Doppel-Lipidschicht, welche die Grenzflächen aller Zellen und der darin enthaltenen Kompartimente bilden. Die Bildung und Anordnung einer Lipid-Doppelschicht wird durch die unterschiedliche Polarität in Fettmolekülen erklärbar. Biomembranen sind selektiv aufgebaut und sorgen somit für den Stoffaustausch zwischen den Zellen. Sie lassen durch ihre semipermeable (selektiv durchlässig) Lipidschicht die Stoffe heraus und herein, die ausgetauscht werden sollen.

Zudem sind sie für die Kompartimentbildung in der Zelle zuständig. Das bezeichnet die Bildung von Kompartimenten, in denen dann entweder Stoffe gespeichert werden können (z. B. in Vakuolen), oder es können dort Reaktionen ablaufen, wie es in den Mitochondrien der Fall ist.

Stoffwechsel

Autotrophie

Autotrophie bedeutet aus dem Griechischen übersetzt "sich selbst ernährend". Ihre Energie beziehen autotrophe Lebewesen ausschließlich aus anorganischen Stoffen. Außerdem sind sie in der Lage, energiereiche Verbindungen selbstständig aufzubauen.

Heterotrophie

Heterotrophe Organismen benötigen organische Stoffe als Material für ihre Körpersubstanz. Dadurch sind sie in ihrer Ernährung auf organische Stoffe und von anderen Lebewesen abhängig. Sie müssen energiereiche Verbindungen aus ihrer Umwelt aufnehmen. Zu ihnen gehören Pilze und die meisten Bakterien. Man nennt sie in der Nahrungskette des Ökosystems auch Sekundärproduzenten.

Enzyme

Ohne Enzyme würde es vermutlich kein Leben geben, jedenfalls nicht so wie wir es kennen. Die komplexen Eiweißmoleküle sind essenzielle Treiber im Stoffwechselprozess unseres Körpers. Sie beschleunigen die biochemischen Reaktionen im Körper und werden daher auch oft als Biokatalysatoren bezeichnet. Abläufe wie der Verdauungsprozess, der Zellstoffwechsel und auch das Kopieren der DNA, werden von Enzymen gesteuert.

Dabei gibt es Enzyme in den verschiedensten Variationen. Zu den Hauptaufgaben von Enzymen zählen etwa das Aufbauen, Abbauen oder Umbauen von Molekülen. An der typischen Endung “-ase” erkennst Du, dass es sich hierbei vermutlich um ein Enzym handelt.

Methoden

Es gibt innerhalb der Zellbiologie einige wissenschaftliche Methoden, die es möglich machen, die Funktionen von Zellen zu erforschen und zu verstehen. Eine beliebte Methode in der Zellbiologie ist die Verwendung von einem Elektronenmikroskop oder einem Lichtmikroskop. Im Gegensatz zum Lichtmikroskop ist ein Elektronenmikroskop in der Lage, mithilfe eines Elektronenstrahls selbst kleinste Organismen, kleinste Mikroorganismen für das Auge sichtbar zu machen. Während Bakterien beispielsweise auch unter dem Lichtmikroskop noch sichtbar sind, können Viren lediglich unter dem Elektronenmikroskop wahrgenommen werden.

Weitere Methoden, um die Funktionsweise von Zellen zu verstehen, sind die histochemische Färbung und die Fluoreszenzfärbung. Bei der histochemischen Färbung reagiert das Farbreagenz in einer chemischen Reaktion mit bestimmten Zellbestandteilen und hebt sie dadurch optisch hervor. Die Fluoreszenzfärbung wird im Bereich der Elektrophorese angewandt. Mithilfe einer proteinspezifischen Färbung werden die gewünschten Proteine gefärbt. Somit können sie von anderen Strukturen abgehoben und unter dem Elektronenmikroskop besser betrachtet werden.

Abbildung 5: Endothelzellen aus dem Inneren Wand (Endothel) von Lungenarterien des Rindes unter dem Mikroskop.

Zellbiologie der Pflanzen

Pflanzen besitzen, gleichsam wie andere Lebewesen, Zellen als ihre Lebensgrundlage. Allerdings unterscheidet sich ihr Aufbau etwas von dem der tierischen Zelle. Sie besitzen eine Zellwand, die Schutz bietet und die Form der Zelle erhält. In ihrem Zellplasma schwimmen verschiedene Zellorganellen, die die Pflanze mit Energie und anderen wichtigen Stoffen versorgt. Eine Pflanzenzelle gehört zu den eukaryotischen Zellen.

Hier siehst Du die Zellorganellen der Pflanzenzelle aufgelistet:

• Plastiden
• Endoplasmatisches Retikulum
• Golgi-Apparat
• Mitochondrien
• Ribosomen
• Vakuole
• Zellkern
• Zellplasma
• Zellmembran
• Zellwand

Zellbiologie der Tiere

Auch tierische Zellen gehören zu den Eukaryoten. Sie ähneln der Pflanzenzelle, allerdings stimmen nicht alle Organellen überein. Während die Pflanzenzelle eine Zellwand besitzt, ist diese bei Tierzellen nicht vorhanden. Sie besitzen eine höhere Beweglichkeit, sind dafür aber auch anfälliger für Verletzungen. Auch besitzen die Tierzellen keine Vakuole und keine Plastiden.

Hier siehst Du die Zellorganellen der Tierzelle aufgelistet:

• Endoplasmatisches Retikulum
• Golgi-Apparat
• Mitochondrien
• Ribosomen
• Zellkern
• Zellplasma
• Zellmembran

Zellbiologie der Mikroorganismen

Mikroorganismen bestehen ganzheitlich aus prokaryotischen Zellen. Wie bereits erwähnt, besitzen diese keinen Zellkern. Auch besitzen sie keine membranbegrenzte Organellen wie das Endoplasmatische Retikulum oder den Golgi-Apparat.

Ihre Organellen findest Du hier aufgelistet:

• Zellwand
• Glykokalyx
• Zellmembran
• Zellorganellen
• Zellplasma
• Ribosomen
• DNA als Nukleotid Ring
• Flagellum
• Pili
• Granula und Vesikel