Als Du klein warst, mochtest Du vielleicht Pflanzen. Dir hat gefallen, wie sie wachsen und sich verändern konnten und Du mochtest, wie sie unabhängig waren. Später in der Schule hast Du vielleicht eine Pflanzenzelle unter dem Mikroskop gesehen und warst erstaunt.
Die Zellen einer Pflanze sind wie Miniaturfabriken, die eine Vielzahl von Stoffen aufbauen, um die Pflanze am Leben zu erhalten. Eine dieser Stoffe heißt Chlorophyll, und es ist verantwortlich für die Absorption von Sonnenlicht und wandelt es in Energie um.
Pflanzenzelle – Definition
Eine Pflanzenzelle (auch Euzyten genannt) ist, wie die Tierzelle, eine eukaryotische Zelle. Pflanzenzellen besitzen einen Zellkern im Gegensatz zu den Prokaryoten, die keinen Zellkern besitzen.
Die Pflanzenzelle beinhaltet mehrere Organellen, die von Membranen umhüllt sind. Die Organellen sind in das Grundplasma (auch Cytoplasma oder Zellplasma) der Zelle integriert. Nicht alle einzelnen Organellen der Zelle sind von Membranen umhüllt, sondern liegen frei in dem Grundplasma der Zelle vor. Dazu gehören die Organellen des Cytoskeletts und Ribosomen.
Organellen sind keine Organe. Im Gegensatz zu Organellen bestehen Organe aus vielen Zellen, während Organellen Bestandteile einer Zelle sind!
Pflanzenzelle Modell – Aufbau und Bestandteile
Folgende Zellorganellen können unterschieden werden:
Cytoplasma
Das Cytoplasma ist das Grundplasma der Zelle, in dem sich alle Zellorganellen und Strukturen befinden.
Das Cytoplasma besteht aus 70 % Wasser und zu 20 % aus Protein. Es hat eine ähnliche Konsistenz wie ein Gel aufgrund der hohen Konzentration von Proteinen und Proteinkomplexen. Das Cytoplasma ist an dem riesigen Netzwerk von Synthese und Abbau von Substanzen beteiligt, an dem häufig Organellen involviert sind. Weiterhin ist es der Raum der Biosynthese von Ribosomen, des Glucoseabbaus, des oxidativen Zyklus von Pentosephosphaten und der Synthese vieler Aminosäuren. Es ist daher der wichtigste Reaktionsraum für Metaboliten und Ionen.
Wenn Du alle sedimentierbaren Bestandteile des Cytoplasmas zentrifugierst, erhältst Du das Cytosol!
Zellwand
Die Zellwand ist ein Merkmal von Pflanzenzellen, welche die Tierzellen nicht enthalten. Die Zellwand hat folgende Funktionen: Schutz der Zelle, Aufrechterhaltung der Form, Verhinderung des zu starken Einstroms von Wasser. Allgemein setzt sich die Zellwand auch der Schwerkraft entgegen.
Im Vergleich zu einer Zellmembran ist die Zellwand wesentlich kräftiger. Die allgemeine Struktur der Zellwand ist von Pflanze zu Pflanze identisch, jedoch kann sie sich gelegentlich in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden.
Polysaccharid-Cellulose-Mikrofibrillen sind Bestandteile der Zellwand einer Pflanze. Diese werden durch die Cellulose synthetisierenden Enzyme gebildet und von Zellen in den extrazellulären Raum abgetrennt. Dort sind die Zellulosemoleküle in eine sogenannte Matrix, also ein Raum zwischen den Zellen, die aus Polysacchariden und Proteinen besteht, eingebettet.
Eine junge Pflanzenzelle baut zuerst eine relativ dünne und flexible Wand auf, die als primäre Zellwand bezeichnet wird. Eine sogenannte Mittellamelle befindet sich zwischen den primären Zellwänden benachbarter Zellen. Die Mittellamelle ist eine dünne Schicht, die reich an klebrigen (bindenden) Polysacchariden der Pektinklasse ist. Die Mittellamelle hält gewissermaßen die benachbarten Zellen zusammen.
Wenn die Zelle reift und aufhört zu wachsen, stärkt sie die Zellwand. Einige Arten der Pflanzenzelle haben eine zusätzliche sekundäre Zellwand, die sich zwischen der Plasmamembran und der primären Zellwand befindet. Die sekundäre Zellwand hat eine starke und haltbare Matrix, weil sie in mehreren Schichten gestapelt ist. Somit hat die Zelle ihren festen Halt und Schutz, was durch die Zellwand sichergestellt wird.
Holz zum Beispiel besteht hauptsächlich aus sekundären Zellwänden. Darum ist es außerordentlich stabil und verliert seine Form nicht so einfach.
Cellulose
Natürliche Materialien, wie Cellulose, sind der Hauptbestandteil der pflanzlichen Tragstruktur, der Zellwand. Zusätzlich wird in der Cellulose Kohlenstoff gespeichert.
Ein Molekül Cellulose ist ein unverzweigtes Polysaccharid aus Glucose. Das Glucosemolekül entsteht bei der Photosynthese unter Verwendung des Kohlenstoffdioxids, was aufgenommen wurde. Deswegen wird in der Cellulose CO₂ gespeichert. Wenn Pflanzen sterben, werden sie von Pilzen und verschiedenen Bakterien zersetzt. Cellulose wird dann in Wasser und Kohlendioxid zerlegt und es wird Energie freigesetzt.
Zellmembran
Die Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht sowie unterschiedliche Proteine, die sich auf oder in der Zellmembran befinden.
Die Phospholipide der Zellmembran besitzen jeweils einen polaren, hydrophilen Kopf (wasserlöslich) und einen unpolaren, hydrophoben Schwanz (wasserabweisend).
Zellkern
Im Zellkern einer Pflanzenzelle befindet sich die gesamte Erbinformation der Pflanze, die Chromosomen. Der Zellkern ist je nach Pflanzenart unterschiedlich groß und er wird von einer Zellkernhülle, eine doppelte Membran, umschlossen, damit sein Inhalt vom Cytoplasma geschützt wird.
Im Zellkern befinden sich zusätzlich die Nukleoli, die für die Biosynthese der Ribosomen essenziell sind.
Die Zellkernhülle ist von einigen Kernporen durchsetzt. Viele Kernporen bilden einen sogenannten Kernporenkomplex, welches eine bedeutungsvolle Rolle bei der Regulation des Ein- und Austritts der RNAs und einiger Proteine spielt. Öfter werden die Kernporen als sogenannte „Zollstationen“ benannt, da sie den Verkehr des Zellkerns kontrollieren.
Zusätzlich ist das Innere der Zellkernhülle von sogenannte Kernlamina ausgekleidet, welche ein netzartiges Maschenwerk aus Proteinfilamenten darstellen. Die Kernlamina sind dafür verantwortlich, dass die Struktur und die Form des Zellkerns stabil und geschützt bleiben. Mit dem ER bildet der Zellkern ein sogenanntes Kontinuum.
Mitochondrium
In Zellen, die viel Energie verbrauchen, befinden sich sogenannte Mitochondrien.
Mitochondrien sind kleine Zellorganellen der Zellatmung, die im Cytoplasma zu finden und von einer Doppelmembranschicht umhüllt sind. Sie absorbieren Sauerstoff und kombinieren Energie aus der Oxidation von Molekülen der Nährstoffe, wie Zucker, um fast das gesamte ATP zu produzieren, das die Zellaktivitäten antreibt.
Mitochondrien haben eine vergleichbare Größe wie kleine Bakterien. Ähnlich wie Bakterien haben die Mitochondrien auch ihr eigenes Genom in Form eines ringförmigen DNA-Moleküls. Zusätzlich besitzen sie auch eigene Ribosomen. Die Ribosomen sind nicht die gleichen, die sonst in eukaryotische Zellen zu finden sind. Hier handelt es von prokaryotische 70S-Ribosomen. Außerdem besitzen sie eigene Transport-RNAs (tRNA).
Heute ist es allgemein bekannt, dass die „Vorfahren“ der heutigen Mitochondrien Eubakterien waren. Die frei lebenden Eubakterien verarbeiteten Sauerstoff. Vermutlich wurden die Eubakterien von einer anaeroben Vorläuferzelle aufgenommen, die Sauerstoff nicht selbst verwerten können. Das Bakterium entkam aus unbekannten Gründen der Verdauung durch Phagozytose und entwickelte sich in Symbiose mit der Zelle. Als Gegenleistung für die Bereitstellung von Energie in Form von ATP, die sie dem Wirt zur Verfügung stellten, erhielten die Bakterien Nahrung und Schutz von der Zelle.
Es wird angenommen, dass sich diese Partnerschaft zwischen einer primitiven anaeroben räuberischen eukaryotische Zelle und einer aeroben Bakterienzelle vor ca. 1,5 Milliarden Jahre entwickelt hat, als die Atmosphäre zu oxidieren begann.
Plastiden
Plastiden sind charakteristische Organellen von Pflanzen. Grundsätzlich können Chloroplasten oder Chromoplasten, die pigmenthaltig sind, von nicht pigmentierten Leukoplasten unterschieden werden.
Zusätzlich zu den allgemeinen linsenförmigen Chloroplasten höherer Pflanzen gibt es andere Formen und Arten von Plastiden, die in Pflanzenorganen wie den Blüten und Früchten vegetativer Pflanzen üblich sind. In den meisten Fällen enthält eine Zelle nur einen Plastidentyp.
Chromoplasten synthetisieren und speichern rote, gelbe und orangefarbene Pigmente in den Zellen der Blüten und Früchten. Die Chloroplasten enthalten alle Farbstoffe inklusive des grünen Pigments Chlorophyll. Leukoplasten sind pigmentlose Organellen, die Stoffe speichern, wie Amyloplast, was Stärke speichert.
Chloroplasten
Chloroplasten sind wie Mitochondrien membranumhüllte Organellen, die in vielen eukaryotischen Zellen vorkommen, insbesondere in den Zellen von Algen und Pflanzen. In den Chloroplasten wird die Photosynthese durchgeführt, indem die Lichtenergie der Sonne in chemische Energie umgewandelt wird.
Nähere Informationen findest Du in dem Artikel Photosynthese von StudySmarter!
Chloroplasten haben, wie Mitochondrien, ihr eigenes Genom und haben sich höchstwahrscheinlich aus symbiontischen Photosynthese betreibenden Bakterien entwickelt, die von einer Mitochondrien enthaltenden eukaryotischen Zelle aufgenommen wurde. Außerdem sind die Chloroplasten von zwei Membranen umhüllt.
Ein Chloroplast besteht aus einer äußeren Membran, einer inneren Membran, Thylakoiden, Ribosomen, Grana und einem Nukleoid. Das Thylakoid beschreibt das innere Membransystem, in dem die Lichtreaktion der Photosynthese stattfindet. Hier werden ATP (Adenosintriphosphat) und NADPH gebildet. Die Grana entstehen aus den Überlappungen der Thylakoide. Das bedeutet, dass ein Granum aus einem Stapel Thylakoide besteht. In einem Granum liegt ein besonders hoher Pigmentgehalt vor. Zusätzlich befinden sich mehrere Kopien der Plastiden-DNA in kompakter Form in dem sogenannten Nukleoid.
Eine eukaryotische Zelle, die Chloroplasten besitzt, muss nicht mehr andere Zellen als Nahrung aufnehmen – sie besitzt für die Nahrungsversorgung Chloroplasten, die sie geerbt hat. Statt, dass sie jetzt nach Nahrung suchen müssen, haben sie eine dichte schützende Zelle um sich herum aufgebaut. Pflanzen sind autotrophe Organismen (≠ Heterotrophie), da sie in der Lage sind anorganische Stoffe aufzunehmen und daraus organische Stoffe herstellen können. Für diesen Prozess benötigen sie allerdings Energie. Pflanzen sind sogenannte photoautotrophe Organismen, da sie Licht als Energiequelle benötigen.
Pilze haben wie tierische Zellen Mitochondrien, aber keine Chloroplasten. Im Gegensatz zu tierischen Zellen haben sie eine starke Zellwand, die ihre Bewegung und Phagozytose stark einschränkt. Es wird angenommen, dass Pilze Aasfresser sind, die sich von Nährstoffmolekülen ernähren, die von anderen Zellen ausgeschieden oder beim Abbau toter Zellen freigesetzt werden.
Ribosomen
Ribosomen sind komplexe Organellen, die aus ribosomale Ribonukleinsäuren (rRNA) und unterschiedliche Proteine gebildet sind und bestehen aus zwei Untereinheiten.
Die Ribosomen sind für die Proteinbiosynthese innerhalb einer Zelle zuständig. Zellen, die viele Prozesse der Proteinbiosynthese durchführen, besitzen eine höhere Anzahl an Ribosomen als Zellen, die nicht viele Prozesse der Proteinbiosynthese durchführen.
Ribosomen können frei sowie gebunden in einer Zelle vorliegen. Das bedeutet, dass sie entweder frei im Cytoplasma vorzufinden sind oder dass sie an die äußere Seite des Endoplasmatischen Retikulums (ER) oder einer Zellkernhülle gebunden sind. Diese Ribosomen sind strukturell identisch. Jedoch weisen die entstandene Proteine der zwei Arten etwas unterschiedlichere Funktionen auf: Proteine, die an freie Ribosomen gebildet werden, wie Enzyme, können ihre Funktion im Cytosol normal ausüben. Im Gegensatz dazu, werden die Proteine, die durch ein membrangebundenes Ribosom hergestellt wurden, für den Einbau in die Membran verwendet.
Endoplasmatisches Retikulum (ER)
Das endoplasmatische Retikulum ist ein ausgedehntes Netzwerk aus vielen Membranen, die sogenannte Membranzisternen und Membrantubuli.
Ein Innenraum wird durch die Membran des ERs definiert, das Lumen, welches von dem Cytosol durch diese Membran getrennt ist.
Es gibt zwei verschiedene Bereiche des ERs, die strukturell unterschieden werden: Das glatte ER und das raue ER. An das Äußere des glatten ERs können keine Ribosomen anhaften, daher die Namensgebung „glatt“. Im Gegensatz dazu können Ribosomen sich an das Äußere des rauen ERs anhaften.
An dem glatten ER finden einige biologische Prozesse statt, wie die Synthese von Lipiden, der Kohlenhydratstoffwechsel und die Detoxifizierung von Giften oder Fremdstoffen. Allgemein dient der Raum des rauen ERs für die Synthese neuer Membranen, die ihre Verwendung zum Transport als Vesikel finden.
Golgi-Apparat
Die meisten Vesikel, die das ER verlassen, gelangen zum Golgi-Apparat. Der Golgi-Apparat hat unterschiedliche Funktionen, wie die Lagerung und Sortierung von Stoffen.
In dem Golgi-Apparat werden die Produkte des ERs chemisch modifiziert und weitertransportiert an andere Orte in der Zelle.
Der Golgi-Apparat besteht aus abgeflachten Membranstapeln, die sogenannte Golgi-Zisternen. Die Golgi-Zisterne trennt den Innenraum des Apparats, das sogenannte Golgi-Lumen, vom Cytosol. Jede Zisterne spielt eine essenzielle Rolle, da in ihr mithilfe verschiedener Enzyme, verschiedene Proteine produziert und danach transportiert werden.
Ein Golgi-Stapel entlässt letztlich die Vesikel mit den modifizierten Stoffen, die an ihr Zielort transportiert werden. Am Golgi-Stapel werden die Stoffe sortiert und dann in Vesikel verpackt. Die Vesikel haben bestimmte Moleküle auf ihrer Oberfläche, die der Erkennung durch andere Membranen dienen. Rezeptoren anderer Membranen docken dann an diese Erkennungsstellen.
Vakuole
Vakuolen sind Zellorganellen, dessen Funktionen abhängig von dem Zelltyp sind.
Eine Zellsaftvakuole, die bei ausdifferenzierten Pflanzenzellen zu finden ist, bildet sich, wenn kleine Vakuolen zusammengesetzt werden. Die Zellsaftvakuole einer Pflanzenzelle hat mehrere Funktionen. Beispielsweise kann die Vakuole organische Verbindungen wie Proteine aufnehmen und speichern. Außerdem werden in Vakuolen wichtige Ionen, wie Kalium und Chlorid, gespeichert.
Einige Pflanzen nutzen die Vakuole aber auch zum Speichern von Abfallstoffen, die durch verschiedene Stoffwechselprozesse entstanden sind. Solche Stoffe werden nicht wieder oder weiter verwendet, jedoch könnten sie die Zelle beschädigen, wenn sie in dem Cytosol vorliegen sollten. Einige Vakuolen können auch Pigmente, womit Gewebe gefärbt wird, enthalten. Viele Pflanzen nutzen diese Pigmente zum Anlocken verschiedener Insekten. Zudem können Pflanzen auch Giftstoffe in ihrer Vakuole speichern, die für ihre Fressfeinde giftig sind, um sich zu schützen.
Für wachsende Zellen spielt die Vakuole eine essenzielle Rolle, weil sie viel Wasser absorbieren und dort speichern können, wenn sie die Vakuole vergrößern.
Peroxisomen
Peroxisomen sind spezialisierte Stoffwechselorganellen. Sie sind von einer einfachen Zellmembran umhüllt, da sonst das Wasserstoffperoxid (H2O2) die Zelle beschädigen kann. Peroxisomen enthalten im Allgemeinen Enzyme, die das Wasserstoffperoxid zu Sauerstoff und Wasser reduzieren. So entgiften sie die Zelle.
Plasmodesmen
Kontaktstellen zwischen zwei Pflanzenzellen werden als Plasmodesmen bezeichnet. Hier kann ein Zell-zu-Zell-Stoffwechsel stattfinden.
Zellorganellen – Funktion
Jedes Zellorganell spielt eine essenzielle Rolle in der Zelle. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Funktionen der jeweiligen Zellorganellen aufgelistet.
| Zellorganell | Funktion |
| Zellkern | - enthält das gesamte Erbgut
- enthält Nukleoli, der Ort der Ribosomenbiosynthese
- Kernporen regulieren den Ein- und Austritt von Stoffen
|
| Ribosomen | |
| Endoplasmatisches Retikulum | - glattes ER: Lipidsynthese, Kohlenhydratstoffwechsel, Calciumionenspeicherung, chemische Transformation von Toxinen
- raues ER: Synthese sekretorischer Organellen und Proteine, frühe Stadien der Glykoproteinbildung, Entstehung neuer Membranen, Vesikelbildung
|
| Golgi-Apparat | - Modifikation von Proteinen des Sekretionswegs
- Glykoproteinverarbeitung
- Synthese von Polysacchariden
- Substanzen in das ER bringen
- Vesikelbildung
|
| Vakuole | - Stoffe speichern
- Zellwachstum und Zellschutz
- Wasser speichern
|
| Mitochondrium | |
| Chloroplast | |
| Peroxisom | - entgiftet die Zelle von Wasserstoffperoxid H2O2
|
Unterschied zwischen Pflanzenzellen und Tierzellen
Zwischen einer pflanzlichen und einer tierischen Zelle herrschen einige Unterschiede, die in der folgenden Tabelle dargestellt werden.
| Zellorganell | Pflanzenzelle | Tierzelle |
| Zellkern | | |
| Ribosomen | | |
| Plasmamembran | | |
| Golgi-Apparat | | |
| Lysosom | | |
| Mitochondrium | | |
| Peroxisom | | |
| Centrosom | | |
| Chloroplasten | | |
| Zellsaftvakuole | | |
| Zellwand | | |
| Plasmodesmen | | |
| Flagellum | | |
Im Allgemeinen besitzen Pflanzenzellen Chloroplasten, Zellsaftvakuolen, eine Zellwand und Plasmodesmen, die nicht in einer tierischen Zelle vorkommen.
Pflanzenzelle – Das Wichtigste auf einen Blick
- Pflanzenzellen sowie Tierzellen sind Euzyten.
- Eine Pflanzenzelle kann Chloroplasten, eine Vakuole, eine Zellwand und Plasmodesmen beinhalten. Solche Zellorganellen kommen nicht in Tierzellen vor.
- In den Chloroplasten findet die Photosynthese statt.
- Eine Vakuole speichert wichtige Nährstoffe, Wasser oder Giftstoffe in einer Zelle.
- Eine Zellwand gibt die Zelle ihre Form und Struktur. Außerdem ist durch die Zellwand die Pflanzenzelle gut gegen äußere Einwirkungen geschützt.
Nachweise
- Alberts et al (2017). Molekularbiologie der Zelle. Wiley-VCH.
- Campbell (2009). Biologie. Pearson.
- Kück, Wolff (2014). Botanisches Grundpraktikum. Springer.
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