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
In der Zellbiologie, auch Zytologie, wird sich mit der Struktur und den Funktionen von Zellen befasst. Mithilfe der Mikroskopie werden Aufbau und molekulare Bestandteile der Zellen erforscht. Prozesse wie die Zellteilung, Bewegung der Organellen, Kommunikation der Zellen miteinander und Organbildung werden dabei genauestens beobachtet und dokumentiert.
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
Theodor Schwann ist unter anderem auch der Entdecker der Schwann'schen Zellen, die im peripheren Nervensystem eine wichtige Rolle spielen. Wenn Du darüber mehr erfahren möchtest, dann schau doch gerne bei der StudySmarter Erklärung zum Nervensystem vorbei!
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.
Unter dem Begriff Mikroorganismen sind alle Einzeller, wie Bakterien oder Pilze zusammengefasst. Experten streiten allerdings, ob Viren auch zu dieser Kategorie gezählt werden sollen. Denn definitionsgemäß gehören Viren nicht zu Zellern. Sie sind keine Lebewesen. Sie besitzen keinen eigenen Stoffwechsel und sind von ihrem Wirt abhängig. Dementsprechend können Viren sich auch nicht allein fortpflanzen. Sie benötigen die zelluläre Struktur ihres Wirts. Dementsprechend werden Viren nicht in der Zellbiologie, sondern in der Virologie betrachtet.
Grundlagen der Zellbiologie
Die Zellbiologie besteht aus verschiedenen Bestandteilen, die es zu verstehen gilt, wenn man erfolgreich Zellen untersuchen möchte. Aber auch um die Funktionsweise der Zellen zu verstehen, ist es wichtig, den Zellaufbau oder auch Zellorganellen sowie andere Bestandteile näher zu betrachten.
Zellaufbau
Grundsätzlich unterscheidet man in der Zellbiologie sowohl zwischen Prokaryoten und Eukaryoten, als auch zwischen Einzellern und Mehrzellern.
Prokaryoten
Unter dem Begriff Prokaryoten werden Bakterien, Archaeen und Cyanobakterien zusammengefasst.
Unter Prokaryoten versteht man Lebewesen, die ihre DNA nicht wie die Eukaryoten in einem Zellkern tragen, sondern als loses Knäuel im Zellplasma. Die Zelle ist kaum strukturiert und besitzt keine Kompartimentierung.
Der Begriff Kompartimentierung bedeutet in der Biologie die Unterteilung einer Zelle, oder anderen Strukturen in verschiedene Teilbereiche (Kompartimente). In den verschiedenen Kompartimente können unterschiedliche Bedingungen herrschen.
Eukaryoten
Unter dem Begriff Eukaryoten werden typischerweise Zellen von Tieren, Pflanzen und Pilzen zusammengefasst.
Die eukaryotische Zelle ist in funktionsorientierte Kompartimente aufgeteilt und der überwiegende Teil des Erbmaterials ist im Zellkern zu finden.
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.
Wenn Du mehr über die verschiedenen Prokaryoten, Eukaryoten, Ein- oder Mehrzeller erfahren möchtest, kannst Du in der passenden StudySmarter Erklärung vorbeischauen.
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.
Ausführliche Informationen zu den einzelnen Zellorganellen der Zellbiologie findest Du auf StudySmarter in der Erklärung zu Eukaryoten.
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).
Diffusion bezeichnet den physikalischen Prozess, bei dem ohne äußere Einflüsse eine gleichmäßige Verteilung von Teilchen stattfindet. Dadurch kommt es zu einer vollständigen Durchmischung zweier Stoffe. Dieses Prinzip basiert auf der thermischen Bewegung von Teilchen. Der Begriff stammt aus dem Lateinischen diffundere und bedeutet so viel wie "ausgießen, verstreuen, ausbreiten"
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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.
Wie genau die Biomembran entsteht und arbeitet, erfährst Du auf StudySmarter in den passenden Artikeln zum jeweiligen Themenbereich der Zellbiologie.
Stoffwechsel
Unter dem Begriff Stoffwechsel versteht man grundsätzlich alle chemischen Reaktionen, die innerhalb einer Zelle stattfinden. Man unterscheidet zwischen Autotrophie und Heterotrophie.
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.
Pflanzen oder Lebewesen, die Fotosynthese betreiben, beziehen ihre Energie beispielsweise aus dem Sonnenlicht.
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.
Zum Thema Stoffwechsel gibt es noch einige spannende Unterthemen, die Du Dir auf StudySmarter jederzeit durchlesen kannst!
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.
Mehr über den Aufbau und die Aufgaben von Enzymen findest Du in den entsprechenden Artikeln dazu auf StudySmarter!
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.
Genaueres zu den einzelnen Methoden findest Du in den entsprechenden Erklärungen dazu auf StudySmarter!
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:
Wenn Du mehr über die Pflanzenzelle erfahren möchtest, dann schaue doch gerne bei der StudySmarter Erklärung dazu vorbei!
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:
Die Aufgaben und der genaue Aufbau der Tierzelle erfährst Du im StudySmarter Artikel dazu!
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:
Wenn Du mehr zum Thema Prokaryoten erfahren möchtest, dann schaue gerne bei der dazugehörigen StudySmarter Erklärung vorbei!
Zellbiologie - Das Wichtigste
- In der Zellbiologie wird in Prokaryoten und Eukaryoten und Einzeller und Mehrzeller unterschieden.
- Die Zellorganellen sind Bereiche innerhalb einer Zelle, die durch Membranen voneinander abgegrenzt werden
- Damit Zellen sich miteinander austauschen können, brauchen sie Zell-Zell-Verbindungen.
- Die Biomembran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht, sie bildet Kompartimente
- Unter dem Begriff Stoffwechsel versteht man alle chemischen Reaktionen, die innerhalb einer Zelle stattfinden
- Enzyme beschleunigen die biochemischen Reaktionen im Körper und werden daher auch oft als Biokatalysatoren bezeichnet
- Zellen werden durch zellbiologische Methoden untersucht, bspw. Mikroskopie oder Fluoreszenzfärbung
Nachweise
- thieme.de: Zellbiologie (19.07.2022)
- open.vhb.org: Zellbiologie (19.07.2022)
- lichtmikroskop.net: Erfindung des Lichtmikroskops (19.07.2022)
- Abb. 2: Antonie Van Leeuwenhoek (https://pixabay.com/de/vectors/antonie-van-leeuwenhoek-portr%C3%A4t-5652882/) von Gordon Johnson ist unter der Lizenz freier kommerzieller Nutzung.
- Abb. 3: Tuberkel-Bakterium in der Ziehl-Neelsen-Färbung (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mycobacterium_tuberculosis_Ziehl-Neelsen_stain_02.jpg) von CDC/ Dr. George P. Kubica ist gemeinfrei.
- Abb. 5: Konfokales Bild (cLSM) lebender Hela Zellen (https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Multicolor_fluorescence_image_of_a_living_HeLa_cell.jpg) von 8x57is ist unter der Lizenz CC 4.0.
- Abb. 1: Das Mikroskop von Robert Hooke, Zeichnung aus seiner Originalveröffentlichung (https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Hooke_Microscope.jpg) von Robert Hooke ist gemeinfrei, weil seine urheberrechtliche Schutzfrist abgelaufen ist.
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