Zellen werden oft als die kleinsten Einheiten von Lebewesen bezeichnet. Sie sind so winzig, dass man sie mit bloßem Auge nicht sehen kann.
Bei Zellen handelt es sich um abgetrennte Kompartimente, in denen sich weitere kleinere Bestandteile befinden. Man kann zwischen eukaryotischen und prokaryotischen Zellen unterscheiden. Eukaryotische Zellen lassen sich nochmals in tierische und pflanzliche Zellen sowie Pilzzellen einteilen. Bei prokaryotischen Zellen handelt es sich entweder um Bakterien oder Archaeen. Diese Zellarten unterscheiden sich in ihrem Aufbau, haben aber auch grundlegende Ähnlichkeiten.
Eine Zelle ist die kleinste Einheit von Lebewesen, die ohne andere Systeme existieren kann. Sie beinhaltet weitere Bestandteile, die zum Überleben einer Zelle nötig sind.
Zellaufbau – Allgemeiner Aufbau und Funktion
Es gibt Bestandteile einer Zelle, die grundsätzlich vorhanden sind – unabhängig davon, ob es sich um eukaryotische oder prokaryotische Zellen handelt. Dazu gehören:
Proteine
Proteine sind einer der Grundbausteine von Zellen. Sie bestehen aus vielen, zusammenhängenden Aminosäuren. Durch bestimmte Faltung und verschiedene Wechselwirkungen entstehen dabei spezifische Proteine. Beispielsweise besteht die Membran von Zellen teilweise aus Proteinen.
In der Zellmembran gibt es unter anderem Kanalproteine oder Rezeptorproteine, die für die Kommunikation zwischen Zellen oder Reizweiterleitung verantwortlich sind.
Enzyme sind ebenfalls Proteine und können Reaktionen innerhalb von Zellen katalysieren. Strukturproteine sorgen für die Form und Stabilität der Zellen. Es gibt auch sogenannte Motorproteine, wie Myosin und Aktin im Muskel. Diese helfen dabei, dass der Muskel kontrahiert und wieder relaxiert.
Auch viele Hormone sind Proteine. Sie dienen als Botenstoffe in tierischen und menschlichen Körpern.
Erbinformation
Jede Zelle enthält Erbinformationen. Darin sind alle Informationen gespeichert, die für die Zelle relevant sind. DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure) sind Erbinformationen, die in eukaryotischen und prokaryotischen Zellen vorkommen.
Wenn etwa Proteine neu gebildet werden (Proteinbiosynthese), wird vorübergehend RNA als Vorlage zur Synthese von Proteinen gebildet. Diese Form von RNA wird dann mRNA (messenger RNA) genannt.
Zellmembran
Die Funktion der Zellmembran ist die Abgrenzung von der Umgebung und anderen Zellen, sodass ein geschlossenes System entsteht: die Zelle.
Die Zellmembran ist grundsätzlich semipermeabel. Das bedeutet, dass sie nur für bestimmte Moleküle und Atome durchlässig ist. Für größere Moleküle sind normalerweise Transportproteine in der Zellmembran verankert, die den Transport ermöglichen.
Die Zellmembran besteht hauptsächlich aus Phospholipiden, mit einem hydrophilen (wasserliebenden) Kopf und einem hydrophoben (wasserabweisenden) Schwanz.
Anhand dieser Eigenschaften der Phospholipide besteht die Zellmembran aus einer Lipiddoppelschicht. Dabei sind die hydrophoben Schwänze zueinander gewandt, sodass sich auf beiden Seiten der Zellmembran die hydrophilen Köpfe befinden.
Eine Lipiddoppelschicht ist eine Lipidschicht, die aus zwei Reihen von Phospholipiden besteht.
Das kannst du hier gut sehen:
Abbildung 1: Aufbau der Zellmembran
Quelle: studymed.at
Eine weitere Funktion der Zellmembran ist die Kommunikation mit der Umgebung und mit anderen Zellen. Das ist durch Proteine und Kohlenhydrate in der Zellmembran möglich, wie oben dargestellt.
Cytoplasma
In allen Zellen ist auch das Cytoplasma zu finden.
Cytoplasma ist eine Flüssigkeit, die aus dem Cytoskelett und dem Cytosol besteht. Das Cytoskelett repräsentiert die Menge der Proteine und Filamente im Cytoplasma. Das Cytosol ist der flüssige Teil des Cytoplasmas und enthält hauptsächlich Wasser.
Im Cytoplasma finden viele wichtige Reaktionen der Zelle statt. Bei Eukaryoten läuft zum Beispiel dort ein Teil der Proteinbiosynthese und der erste Teil der Zellatmung, die Glykolyse, ab.
Zellaufbau von Mensch & Tier
Die Zellen von Menschen und Tieren besitzen den gleichen Aufbau, weshalb sie im Folgenden als tierische Zellen gemeinsam behandelt werden. Obwohl auch Pflanzenzellen zu den eukaryotischen Zellen gehören, weisen diese einige Unterschiede in Bezug auf ihren Aufbau auf. Deshalb werden sie im Verlauf des Artikels separat behandelt.
Im Gegensatz zu Prokaryoten besitzen alle Eukaryoten einen Zellkern, der entsprechend auch bei tierischen Zellen vorhanden ist.
Anhand der unten stehenden Abbildung kannst du stets nachverfolgen, um welches Kompartiment der Zelle es sich handelt und wie diese aussehen.
Abbildung 2: Aufbau einer Tierzelle Quelle: planet-wissen.de
Auf Proteine, Erbinformationen, Zellmembran und Cytoplasma wird nicht näher eingegangen, da diese Zellorganellen schon in der entsprechenden Erklärung behandelt wurden. Trotzdem gehören sie natürlich auch zu den Bestandteilen einer tierischen Zelle. Falls dich du mehr dazu wissen möchtest, schaue dir gerne auch die Erklärung zu Zellorganellen an.
Abgesehen von der "typischen" tierischen Zelle, gibt es bei Tieren auch andere Arten von Zellen. So gibt es etwa Muskelzellen und Neuronen, die sich als spezialisierte Zellen stark von der hier vorgestellten Zelle unterscheiden.
Zellkern
Im Zellkern befindet sich die Erbinformation: die DNA (Desoxyribonukleinsäure). Der Zellkern, auch Nucleus genannt, ist das größte Zellorganell in der tierischen Zelle.
Der Zellkern ist nochmals von einer Doppelmembran umhüllt. Diese ist allerdings nicht durchgängig verschlossen, sondern weist kleine Lücken auf, die zum Stofftransport aus und in den Zellkern dienen. Zudem wird der Kern von Ribosomen und dem endoplasmatischen Retikulum umgeben, die ebenfalls Zellorganellen einer tierischen Zelle sind. Die Kernlamina, an der Innenseite der Doppelmembran des Kerns, stabilisieren die Doppelmembran.
Der wichtigste Bestandteil des Zellkerns ist der Nucleolus. Dieser enthält letztlich die DNA. Um Nucleus und Nucleolus nicht zu verwechseln, kannst du den Nucleolus auch Kernkörperchen nennen.
Das Kernkörperchen im Zellkern ist von einem Plasma umgeben. In dem sogenannten Kernplasma ist Wasser und Chromatin enthalten. Während der Zellteilung lagern sich die Chromatinfasern zu Chromosomen zusammen. Wenn keine Zellteilung stattfindet, liegen die Chromosomen wiederum als Chromatinfasern im Plasma im Zellkern vor.
Endoplasmatisches Retikulum
Das endoplasmatische Retikulum (ER) befindet sich in der Nähe des Zellkerns. Es ist an verschiedensten Stoffwechselvorgängen und an der Signalübertragung innerhalb der Zelle beteiligt. Im Gegensatz zur Zellkernmembran besitzt es nur eine einfache Membran, keine Doppelmembran.
Man unterscheidet außerdem zwischen dem glatten und rauen ER. Wie der Name schon verrät, hat das glatte ER eine glatte Struktur und das raue ER ist von den Ribosomen besetzt. Ribosomen sind an der Proteinbiosynthese beteiligt, jedoch nicht dauerhaft am ER gebunden, sodass übergangsweise auch ein glattes ER aus dem rauen ER entstehen kann.
Ribosomen
Bei den Eukaryoten besitzen 80S Ribosomen mit einer 60S (großen) Untereinheit und einer 40S (kleine) Untereinheit. Im inaktiven Zustand befinden sich beide Untereinheiten getrennt voneinander frei im Cytoplasma. Sobald sie bei der Translation gebraucht werden, lagern sich die Untereinheiten zu 80S Ribosomen zusammen.
Das S steht übrigens für den Sedimentationskoeffizienten, der die Masse der Ribosomen angibt. Die Einheit S steht für Svedberg-Einheit.
Wie eben erwähnt, befinden sich Ribosomen auch am rauen endoplasmatischen Retikulum. Diese Ribosomen synthetisieren Proteine, die beispielsweise für die Zellmembran gebraucht werden.
Golgi-Apparat
Der Golgi-Apparat ist eine von Membran umschlossene Hohlraum-Zellorganelle. Er hängt direkt mit den Funktionen der Ribosomen zusammen, denn er modifiziert die von Ribosomen hergestellten Polypeptidketten, sodass gefaltete Proteine entstehen. Der Golgi-Apparat verpackt sie außerdem in Vesikel, in denen die fertigen Proteine zu ihrem Einsatzort in der Zelle transportiert werden. Daher könnte man ihn auch als die Proteinpackstation von Zellen bezeichnen.
Mitochondrien
Die Mitochondrien werden häufig als die Kraftwerke der Zellen bezeichnet, denn sie sind größtenteils an der Energie- bzw. ATP-Produktion der Zelle beteiligt.
Mitochondrien umgibt ebenfalls eine Doppelmembran. Sie haben sogar eigenes Erbgut, das mitochondriale RNA (mtRNA). Deshalb gibt es die Theorie, dass Mitochondrien früher einmal eigenständige Zellen, also Prokaryoten waren, die mit einer anderen einfachen Zellen eine Symbiose eingegangen sind. Durch die Evolution soll sich die Symbiose dahin gehend verändert haben, dass Mitochondrien und Zellen als eukaryotische Zelle nun eine untrennbare Einheit darstellen.
Diese Theorie nennt man auch Endosymbiontentheorie, weil man davon ausgeht, dass die eukaryotische Zelle durch Endosymbiose entstanden ist.
Wenn du noch mehr Details über die Tierzelle insbesondere erfahren möchtest, schaue dir gerne auch den Artikel "Tierzelle" an.
Zellaufbau von Pflanzen
Pflanzenzellen sind zwar auch eukaryotische Zellen, weisen aber wesentliche Unterschiede zu tierischen Zellen auf. In der unten stehenden Abbildung siehst du den Aufbau einer pflanzlichen Zelle. Vielleicht fallen dir schon erste Gemeinsamkeiten und Unterschiede auf?
Abbildung 3: Aufbau einer Pflanzenzelle
Quelle: planet-wissen.de
Anhand der Abbildung hast du vielleicht schon einige Gemeinsamkeiten mit tierischen Zellen erkennen können. Auch pflanzliche Zellen haben einen Zellkern, eine Zellmembran, Ribosomen, einen Golgi-Apparat, Mitochondrien und ein endoplasmatisches Retikulum. Doch woraus bestehen die Unterschiede?
Zellwand
Die Zellwand stellt zusätzlich zur Zellmembran von Pflanzen eine schützende Schicht dar. Die Zellwand umgibt die Zellmembran. Sie besteht hauptsächlich aus Zellulose, Pektin und Lignin.
Die Hauptfunktionen der Zellwand sind Schutz vor äußerem Einflüssen und die Stabilisierung von Zellen. Das trägt auch zur Stabilität der ganzen Pflanze bei. Trotz der Dicke hat die Zellwand auch semipermeable Eigenschaften, die vor allem dazu dienen, den Wasseraustausch zu regulieren.
Pflanzliche Zellen sind nochmals aus 4 Schichten aufgebaut:
- Die Mittellamelle befindet sich außen an der Zellwand und hat eine gelartige Struktur, sodass die Zelle mit benachbarten Zellen verbunden ist.
- Die zweite Schicht ist die Primärwand, in der hauptsächlich Pektine, Zellulose und Mikrofibrillen vorhanden sind. Die Mikrofibrillen verleihen der Primärwand eine elastische Form.
- Die Sekundärwand hingegen ist wenig elastisch, aber durch ihre Gitterstruktur dafür stabiler als die Primärwand. Außerdem enthält sie sogenannte Tüpfel, kleine Lücken, die zum Stoffaustausch mit anderen Zellen dienen.
- Die Tertiärwand ist die zur Innenseite der Zelle gewandte Schicht, an der die Zellmembran anschließt.
Vakuole
Die Vakuole ist der Speicher aller Flüssigkeiten von Zellen. Sie ist von einer Membran umgeben und sorgt ebenfalls für die Stabilität der Zellen. Die Membran ist semipermeabel und du kannst sie auch als Tonoplast bezeichnen. Die Flüssigkeit in der Vakuole nennt man auch Zellsaft, indem vor allem Wasser und Nährstoffe enthalten sind.
Chloroplasten
Chloroplasten sind der Teil von Zellen, der Pflanzen für unser Auge grün erscheinen lässt. In ihnen ist nämlich der grüne Farbstoff Chlorophyll gespeichert. Auch Chloroplasten sind von einer Doppelmembran umgeben und enthalten eigenes Erbgut. Deshalb sind Chloroplasten auch Plastiden.
Plastiden sind eigenständige Zellorganellen, die eine eigene Doppelmembran und eine eigene DNA aufweisen.
In den Chloroplasten findet die Fotosynthese (auch Photosynthese genannt) statt. Das verleiht der Pflanze die Eigenschaft, sich selbst von anorganischen Stoffen, wie Wasser und Licht, ernähren zu können. Pflanzen können also selbst Zucker herstellen.
Die Chloroplasten selbst haben einen komplexen Aufbau.
Innerhalb der Chloroplasten befindet sich eine Matrix, die als Stroma bezeichnet wird. Darin befinden sich Thylakoide, die Einstülpungen der Membran des Chloroplasten sind. Übereinandergestapelte Thylakoide werden als Granum bzw. Grana bezeichnet.
An der Thylakoidmembran findet die Lichtreaktion der Fotosynthese statt. Im Thylakoidinnenraum ist das Chlorophyll gespeichert. Außerdem haben Chloroplasten Stärkekörner, in denen die bei der Fotosynthese synthetisierten Zucker gespeichert werden.
Zudem besitzen Chloroplasten Ribosomen, die sich im Stroma befinden.
Es gibt auch noch mehr interessante Informationen zum Thema Chloroplasten. Falls du mehr dazu erfahren möchtest, besuche doch den Artikel "Chloroplasten".
Zellaufbau von Prokaryoten
Als Letztes wird der Zellaufbau von Prokaryoten bzw. Bakterien vorgestellt. Dieser ist etwas einfacher und nicht so kompliziert wie der von eukaryotischen Zellen. Der Aufbau wird hier anhand einer Bakterienzelle erklärt, die du hier sehen kannst:
Abbildung 5: Aufbau einer Bakterienzelle
Quelle: planet-wissen.de
Zellwand
Bakterien haben wie Pflanzen eine Zellwand, die sich jedoch im Aufbau von Pflanzen unterscheidet. Bei den meisten Bakterien sind die Zellwände aus Murein aufgebaut. Je nachdem wie dick die Mureinschicht ist, unterscheidet man zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien.
Die Zellwand von grampositiven und gramnegativen Bakterien unterscheiden sich ebenfalls. Archaeen besitzen auch Zellwände, die aber nicht aus Murein bestehen.
Grampositive Bakterien haben eine Zellwand mit einer dickeren Mureinschicht. Die Zellwände gramnegativer Bakterien haben zwar eine dünnere Mureinschicht, allerdings besitzen sie im Gegensatz zu grampositiven Bakterien eine weitere äußere Membran und eine weitere Periplasmamembran.
Die Zellwand dient auch bei Bakterien zum Schutz vor äußeren Einflüssen. Bei manchen Prokaryoten gibt es sogar eine weitere Schicht, eine Schleimhülle, die für einen höheren Schutz sorgt.
Zellmembran
Neben einer Schleimschicht und einer Zellwand besitzen Bakterien und Archaeen auch eine Zellmembran. Diese Schutzschichten kontrollieren den Stoffaustausch zwischen Umwelt und Zelle. Bei Bakterien handelt es sich bei der Zellmembran um eine Doppelmembran. Innerhalb der Zellen, von der Zellmembran umgeben, haben auch Prokaryoten ein Cytoplasma, das die Zellen ausfüllt und in dem sich die einzelnen Zellorganellen befinden.
Ribosomen
Im Cytoplasma befinden sich Ribosomen. Die prokaryotischen Ribosomen unterscheiden sich allerdings von denen der Eukaryoten. Prokaryotische Ribosomen sind 70S Ribosomen. Sie bestehen, wie auch bei den Eukaryoten, aus zwei Untereinheiten: der großen 50S Untereinheit und der kleinen 30S Untereinheit.
Mesosomen
Manche Prokaryoten besitzen Mesosomen. Das sind Einstülpungen der Zellmembran. Mesosomen enthalten Enzyme und sind deshalb Orte spezieller Enzymreaktionen. Beispielweise läuft in den Mesosomen die Zellatmung ab. Jedoch ist es umstritten, ob Mesosomen überhaupt als Zellorganellen angesehen werden können.
Geißel
Zur Fortbewegung haben manche prokaryotische Zellen Geißeln bzw. Flagellen.
Geißeln sind dünne Proteinfäden, die in der Zellwand verankert sind. Die Zellen bewegen sich durch eine Art Motor, der rotiert, sodass sich die Geißeln bewegen.
Manche Prokaryoten besitzen auch sogenannte Pili auf der Oberfläche, um sich an Oberflächen festzuhalten. Auch diese bestehen aus fadenförmigen Proteinstrukturen.
Ring-DNA
Wie schon erwähnt haben prokaryotische Zellen keinen Zellkern. Trotzdem verfügen sie über Erbgut, das in Form einer Ring-DNA frei im Cytoplasma schwimmt. Du kannst die Ring-DNA auch Bakterienchromosom nennen.
Wie du auf der Abbildung 5 aber auch erkennen kannst, gibt es nicht nur ein Molekül mit Erbgut, sondern auch weitere, kleinere DNA-Moleküle. Diese nennt man Plasmide. Sie sind ringförmig angeordnet und enthalten zusätzliche Informationen für die Zellen. Das Besondere ist, dass diese Plasmide unter Prokaryoten ausgetauscht werden können.
Durch den Austausch von Plasmiden können beispielsweise Antibiotikaresistenzen entstehen. Hat ein Bakterium die Fähigkeit, ein Antibiotikum abzuwehren, kann es die Fähigkeit durch Plasmid-Austausch weitergeben, sodass Bakterien trotz Antibiotikabehandlung überleben können.
Das reicht dir noch nicht? Dann findest du zu jedem Zellkompartiment noch einen eigenen, ausführlichen Artikel.
Zellaufbau - Das Wichtigste
- Zellen werden in eukaryotische und prokaryotische Zellen eingeteilt. Eukaryotische Zellen kann man wiederum in tierische Zellen, pflanzliche Zellen und Pilzzellen unterteilen.
- Alle Zellen sind aus einer Zellmembran, Cytoplasma, Erbinformationen und Proteinen aufgebaut.
- Tierische Zellen haben im Gegensatz zu pflanzlichen Zellen keine Zellwand und keine Chloroplasten.
- Tierische und pflanzliche Zellen besitzen einen Zellkern mit DNA, endoplasmatischem Retikulum, Golgi-Apparat und Ribosomen.
- Prokaryoten sind Einzeller und besitzen wie Pflanzenzellen auch eine Zellwand, die allerdings bei Bakterien aus Murein besteht.
- Prokaryoten besitzen keinen Zellkern, in dem sich die DNA befindet. Stattdessen schwimmt die DNA frei im Cytoplasma. Man nennt sie auch Bakterienchromosom.
- Die meisten Prokaryoten besitzen Geißeln bzw. Flagellen zur Fortbewegung.
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