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Zellwand

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Zellwand

Hätten menschliche Zellen eine Zellwand, so wäre keine Fortbewegung möglich. Während Pflanzen von der starren Zellwand profitieren, die ihre Zellen umgibt und ihnen Stabilität verleiht, wäre insbesondere die Muskelarbeit des menschlichen Körpers mit einer Zellwand nicht möglich. Die Zellwand tritt daher nicht bei allen Organismen auf.

Zellwand Definition

Unter der Zellwand versteht man die Hülle, von der Pflanzen-, Bakterien- und Pilzzellen, sowie Archaeen umgeben sind. Sie ist fest und aus Polymeren aufgebaut. Tierzellen verfügen über keine Zellwand, da sie sonst zu unbeweglich wären.

Zellwand Erklärung

Im Allgemeinen dient die Zellwand der Formgebung eines Organismus. Eine Zellwand ist in allen pflanzlichen Zellen vorhanden, unabhängig davon, ob es sich um eine Blattzelle oder eine verholzte Zelle des Stamms handelt. In physiologischer Hinsicht liegt die Zellwand außerhalb der Zellmembran. Sie umgibt das Zellinnere mitsamt allen Zellorganellen.

Unterschied Zellmembran und Zellwand

Die Zellwand ist nicht gleichzusetzen mit der Zellmembran. Während die Zellwand vollständig permeabel ist, ist die Zellmembran als Doppellipidschicht nur semipermeabel und daher nicht durchlässig für alle Stoffe. Außerdem unterscheiden sie sich in ihrer Größe. Während die Zellmembran mit einer Größe von 5-10 nm nur unter einem Elektronenmikroskop sichtbar ist, ist die Zellwand mit einer Größe von 4-20 µm deutlich dicker und bereits unter dem Lichtmikroskop erkennbar.

Synthese der Zellwand

Die Biosynthese der Zellwand findet während der Zellteilung statt. In der letzten Phase der Mitose, der Telophase, wird die Zellwand gebildet. Bereits während der Anaphase sammeln sich Golgi-Vesikel, welche mit Molekülen der Stoffgruppe "Polysaccharid" gefüllt sind, an der Äquatorialebene der Zelle an. Aus einer Mutterzelle entstehen zwei erbgleiche Tochterzellen.

Du fragst Dich, was Golgi-Vesikel sind? Schau einfach im StudySmarter Artikel zum Golgi-Apparat vorbei!

Polysaccharide sind Kohlenhydrate wie Cellulose und Hemicellulose. Sie dienen dem Zellwandaufbau, denn bei der Verschmelzung der Stoffe entsteht an der Äquatorialebene ein Membrangebilde. Das entstandene Membrangebilde ist einerseits mit der Membran der Mutterzelle verbunden und teilt andererseits die Zelle in zwei Tochterzellen. Genauer gesagt teilt die Primordialwand, als erste Schicht der Zellwand, die Mutterzelle.

Die Primordialwand besteht neben Cellulose und Hemicellulose aus speziellen Polysacchariden, den sogenannten Pektinen bzw. aus der dazugehörigen Pektinsäure. Durch die besondere Struktur der Pektine ist die Primordialwand "klebrig" und kann somit gut zwei Zellen miteinander verbinden.

Pektin ist ein plastisch verformbarer Stoff, welchen man mit einem Gel vergleichen kann. Aufgrund dieser Eigenschaft werden Pektine auch in der Herstellung von Marmeladen und Gelees eingesetzt.

Im nächsten Schritt lagern sich an der Primordialwand ebenfalls Golgi-Vesikel an, welche die Primärwand entstehen lassen. Die Primärwand besteht größtenteils aus dem Polysaccharid Cellulose. Nachdem die Primärwand gebildet wurde, entsteht auch die Sekundärwand und zuletzt die Tertiärwand.

Aufbau der Zellwand

Die Struktur der Zellwand ist durch die einzelnen Komponenten besonders und verleiht der Zelle Form und Stabilität. Der Aufbau der Zellwand sieht von außen nach innen folgendermaßen aus:

  • Primordialwand
  • Primärwand
  • Sekundärwand
  • Tertiärwand

Die Zellwand ist aus sogenannten Polymeren aufgebaut. Polymere sind kettenartige, verzweigte, chemische Verbindungen. Die einzelnen Ketten bezeichnet man hierbei als Monomere. Die Monomere verknüpfen sich wiederum mit anderen ihrer Art und bilden daher große Kettenstrukturen, die Makromoleküle.

Die Primordialwand

Die Primordialwand wird oft auch als Mittellamelle bezeichnet. Sie besteht größtenteils aus den speziellen Polysacchariden, den Pektinen. Sie ist vergleichsweise eine relativ dünne Schicht und ermöglicht durch ihre Gel-artige Struktur einen guten Zusammenhalt der Zellen.

Die Primärwand

Die Primärwand lagert sich an der Primordialwand beziehungsweise an die Mittellamelle der Zelle an. Sie entsteht, nachdem die Zellteilung abgeschlossen ist. Die primäre Zellwand weist eine zufällige Struktur aus Pektinen, Cellulose, Hemicellulose und Proteinen wie Extensin auf.

Überwiegend setzt sich die Primärwand jedoch aus einer faserigen Struktur des Glucosemoleküls Cellulose zusammen. Es entstehen aus bis zu 25.000 Cellulosemolekülen lange Ketten (Monomere). Diese sind wiederum durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft. Eine Einheit aus etwa 150 Celluloseketten bezeichnet man als Mikrofibrille.

Die Mikrofibrillen sind zufällig angeordnet und bilden ein Netz. So sind Cellulose-Verbindungen in einer Größenordnung von bis zu 25 nm zu erkennen. Des Weiteren lassen sich in der Matrix der primären Zellwand Stoffe wie Hemicellulose, Pektin und verschiedene Glycoproteine finden. Der Stoff Pektin verleiht der Primärwand ihre Elastizität.

Da die Mikrofibrillen durch ihre netzartige Struktur weiterhin plastisch verformbar bleibt, ist die Zelle in ihrem Wachstum nicht eingeschränkt. Der stabile Endzustand der primären Zellwand wird als Sakkoderm bezeichnet.

Zellwand Primärwand StudySmarterAbbildung 1: Primärwand

Die Sekundärwand

Auf die Primärwand lagert sich die Sekundärwand auf. Diese entsteht erst, nachdem die Zelle ihr Wachstum beendet hat. Die Sekundärwand besteht größtenteils dem Polysaccharid Cellulose.

Während die Primärwand nur zu etwa 20 % aus Cellulose besteht, weist die Sekundärwand einen Celluloseanteil von 50 % auf. Dieser Unterschied lässt sich in der unterschiedlichen Anordnung des Polysaccharids begründen. Statt einer Netzstruktur sind die Cellulose-Mikrofibrillen parallel nebeneinander und in Schichten angeordnet, die sich jeweils überkreuzen. Die Schichten werden von Brückenpolysachariden zusammengehalten. Allgemein ermöglicht die Schichtenstruktur eine dichtere Anlagerung der Cellulosefibrillen.

Die Anordnung der Cellulosefibrillen lässt sich mit den Holzklötzen eines Jenga-Spiels vergleichen. Diese sind ebenfalls parallel zueinander und in Schichten angeordnet, die sich jeweils überkreuzen.

Im Gegensatz zur Primärwand sind die Mikrofibrillen der sekundären Zellwand dichter geschichtet. Doch auch die Sekundärwand bleibt für gelöste Stoffe bis zu einer gewissen Größe permeabel.

In die Matrix der Sekundärwand sind Hemicellulosen und Lignine eingepackt. Lignin ist ein besonders festes Biopolymer, welches insbesondere eine große Druckfestigkeit und Beständigkeit der Zellwand ausmacht. Es befindet sich in verholzten Pflanzen und ermöglicht daher unter anderem, dass wir auf Holz klopfen können. Daher wird auch von der "Verholzung der Zelle" durch Lignin gesprochen.

Zudem befinden sich in der Matrix der Sekundärwand Kohlenhydrate. Diese werden dort für verschiedene Stoffwechselprozesse wie das Wachstum eingelagert.

Zellwand Sekundärwand StudySmarterAbbildung 2: Sekundärwand

Die Tertiärwand

Nach der Sekundärwand folgt die Tertiärwand. Sie bildet den letzten Bestandteil der Zellwand und schließt an die Zellmembran an. Im Vergleich zu den anderen Schichten der Zellwand ist die Tertiärwand dünn. Durch eingelagerte Lignine ist die Tertiärwand sehr stabil.

Neben Lignin lassen sich weitere Stoffe wie Pektine oder Hemicellulose in der Zellwand finden. Den Aufbau der Tertiärwand kannst Du in der folgenden Abbildung erkennen.

Zellwand Tertiärwand StudySmarterAbbildung 3: Tertiärwand

Plasmodesmen in der Zellwand

Die Struktur der Zellwand weist immer wieder "Löcher" auf. Es handelt sich hierbei um Aussparungen in der Primär-, Sekundär- und Tertiärwand, die sogenannten Plasmodesmen.

Unter Plasmodesmen versteht man Zell-Zell-Verbindung, die Pflanzenzellen über lange Strecken miteinander verbinden. Plasmodesmen bestehen aus einem dünnen Plasmastrang und sitzen in den Poren der Zellwände zwei benachbarter Zellen. Da das Plasma beider Zellen in Kontakt steht, können die Zellen gegenseitig Stoffe austauschen.

Die Unterbrechungen in der Zellwand ermöglichen die Diffusion von verschiedenen Molekülen bis zu einem Gewicht von 900 Dalton von einer Zelle in die benachbarte. Unter anderem diffundieren so Zwischenprodukte des Stoffwechsels, lösliche Zucker oder Aminosäuren durch die Zellwand. Eine Pflanzenzelle besitzt bis zu 10.000 solcher Plasmodesmen.

Ein Dalton entspricht in etwa der Masse eines Wasserstoffatoms. Nähere Informationen zu den Plasmodesmen findest Du im gleichnamigen StudySmarter Artikel!

Permeabilität

Da die Zellwand durchlässig für gelöste Teilchen ist, könnten theoretisch alle Stoffe frei in die Zelle diffundieren. Damit dies jedoch nicht geschieht, verhindern bestimmte Instanzen wie die Zellmembran die Diffusion bestimmter Stoffe in die Pflanze. Es gibt etwa abdichtende Schichten, die sich noch oberhalb der Zellwand auflagern. Diese bestehen unter anderem aus Wachsen und verhindern durch ihre hydrophobe Eigenschaft das Eindringen von Wasser in die Zelle.

Ein Beispiel einer solchen Wachsschicht ist die Cuticula in der Epidermis. Pflanzen, die in besonders warmen Gebieten leben, weisen daher eine dickere Cuticula auf, um Wasserverlust zu vermeiden.

Funktion der Zellwand

Zu den wichtigsten Funktionen der Zellwand zählen:

  • Schutz des Cytoplasmas und der Zellorganellen
  • Schutz vor eindringenden Viren, Bakterien oder Pilzen
  • Erhaltung der Stabilität der typischen Zellform, indem sie dem osmotischen Turgordruck entgegenhält
  • Speicherung von Kohlenhydraten

Doch obwohl die Zellwand Schutz und Stabilität bietet, ist sie gleichzeitig elastisch genug, um Zellwachstum, Zellteilung und Transportvorgänge zu ermöglichen.

Besonderheiten bei Zellwänden

Du kennst bereits den Aufbau der Zellwand einer Pflanzenzelle. Doch nicht nur Pflanzen besitzen eine Zellwand. Auch einige Bakterien- und Pilzzellen sind von einer Zellwand umgeben. Bei prokaryotischen, sowie Pilzzellen sind jedoch einige Besonderheiten zu beachten.

Zellwände von Bakterien

Auch bei prokaryotischen Zellen trennt die Zellwand das Zellinnere mit ihrer Zellmembran von der Umgebung. Der einzige Unterschied zur pflanzlichen Zelle ist, dass die Zellorganellen bakterieller Zellen nicht kompartimentiert sind. Die Zellorganellen sind also nicht von einzelnen Zellmembranen voneinander getrennt. Deswegen spielt der Schutz vor Umwelteinflüssen eine wichtigere Rolle.

Bei pflanzlichen Zellen besteht die Zellwand größtenteils aus dem Polysaccharid Cellulose. Bakterielle Zellwände bestehen hingegen aus dem Stoff Murein. Murein ist ein Polysaccharid-Peptid und setzt sich aus Aminosäuren und Zuckern zusammen.

Eine Ausnahme der Bakterien sind pflanzenschädigende Bakterien. Diese besitzen nämlich keine Zellwand. Stattdessen wachsen sie in Wirtsgewebe ein. Ein Beispiel für ein solches Bakterium ist das Agrobacterium tumefaciens.

Zellwände von Pilzen

Eine weitere besondere Form stellen Pilzzellen dar. Obwohl sie ebenfalls eine Zellwand besitzen, die dieselben Funktionen übernimmt wie in anderen Organismen, unterscheidet sich auch hier der Stoff, aus dem die Zellwand besteht.

Während pflanzliche Zellwände größtenteils aus einem Gemisch von Polysacchariden besteht und bakterielle Zellen aus dem Polysaccharid-Peptid Murein, besteht die Zellwand der Pilze aus Chitin. Chitin ist ebenfalls ein Kohlenhydrat und gehört zu den Polysacchariden.

Der Stoff Chitin ist ebenfalls im Exoskelett von verschiedenen Insektenarten vorhanden.

Zellwand - Das Wichtigste

  • Die Zellwand befindet sich außerhalb der Zellmembran und umhüllt die Zelle.

  • Je nach Organismus besteht die Zellwand aus einem anderen Polysaccharid: Pflanzen (Cellulose), Bakterien (Murein), Pilze (Chitin)

  • Tierische Zellen besitzen keine Zellwand

  • Die Zellwand besteht aus Primordialwand, Primärwand, Sekundärwand und Tertiärwand

  • Die Zellwand dient dem Schutz und der Stabilisierung der Zelle vor äußeren Einflüssen wie Viren, Bakterien und generell Pathogenen oder vor dem osmotischem Druck und speichert gleichzeitig Kohlenhydrate


Nachweise

  1. Georg Fuchs (2007). Allgemeine Mikrobiologie. Thieme.
  2. Werner Buselmaier (2003). Biologie für Mediziner : Begleittext zum Gegenstandskatalog. Springer.
  3. www.spektrum.de: Zellwand (15.06.2022)
  4. www.u-helmich.de: Zellwand Pflanzen. (15.06.2022)
  5. www.wasistderunterschied.com: Unterschied zwischen Zellwand und Zellmembran. (15.06.2022)
  6. www.u-helmich.de: Zellwand Pflanzen Bildung. (15.06.2022)
  7. www.pflanzenforschung.de: Zellwand. (15.06.2022)

Finales Zellwand Quiz

Frage

Welche Organismen haben eine Zellwand?

Antwort anzeigen

Antwort

Pflanzen-, Bakterien- und Pilzzellen, sowie Archaeen besitzen eine Zellwand.

Frage anzeigen

Frage

Welche Bakterien haben keine Zellwand?

Antwort anzeigen

Antwort

Pflanzenschädigende Bakterien wie Phytoplasmen haben keine Zellwand. Sie wachsen in Wirtsgewebe und unterscheiden sich daher von vielen anderen Bakterien.

Frage anzeigen

Frage

Warum hat die menschliche Zelle keine Zellwand?


Antwort anzeigen

Antwort

Da tierische Zellen keine Zellwand besitzen, verfügen auch keine menschlichen Zellen über eine Zellwand.

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Unterschied zwischen Zellwand und Zellmembran?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Zellmembran ist eine Doppellipidschicht von der jede Zelle umgeben ist. Eine Zellmembran hingegen ist nicht bei allen Prokaryoten und Eukaryoten vorhanden. In einigen Pflanzen-, Bakterien- oder Pilzzellen umgibt sie die Zellmembran.

Frage anzeigen

Frage

Wie ist eine Zellwand aufgebaut?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Aufbau einer Zellwand von innen nach außen lautet:

  • Primordialwand
  • Primärwand
  • Sekundärwand
  • Tertiärwand
Frage anzeigen

Frage

Welches ist die innerste Schicht der Zellwand?

Antwort anzeigen

Antwort

Sekundärwand

Frage anzeigen

Frage

Wie sind die Cellulose Mikrofibrillen innerhalb der Primärwand angeordnet?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Cellulose Mikrofibrillen sind innerhalb der Primärwand in einer netzartigen Struktur angeordnet.

Frage anzeigen

Frage

Wie sind die Cellulose Mikrofibrillen innerhalb der Sekundärwand angeordnet?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Cellulose Mikrofibrillen sind innerhalb der Sekundärwand parallel angeordnet und bilden sich überkreuzende Schichten.

Frage anzeigen

Frage

Wie unterscheidet sich die Zellwand von Pilzzellen im Vergleich zu der Zellwand von Pflanzenzellen?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Zellwand von Pilzzellen unterscheidet sich in dem Stoff aus der die Zellwand besteht. Während pflanzliche Zellwände aus einem Gemisch der Polysaccharide Cellulose und Hemicellulose bestehen, besteht die Zellwand der Pilze aus Chitin.

Frage anzeigen

Frage

Was sind die Funktionen der Zellwand?

Antwort anzeigen

Antwort

Zur wichtigsten Funktion der Zellwand zählen: 

  • Schutz des Cytoplasmas und der Zellorganellen
  • Schutz vor eindringenden Viren, Bakterien oder Pilzen 
  • Erhaltung der Stabilität der typischen Zellform, indem sie dem osmotischen Turgordruck entgegenhält
  • Speicherung von Kohlenhydraten
Frage anzeigen

Frage

Wie werden die Aussparungen innerhalb der Zellwand genannt, die einen Kontakt zwischen Zellen herstellen?

Antwort anzeigen

Antwort

Plasmodesmen

Frage anzeigen

Frage

Welche Funktion hat der Stoff Lignin?

Antwort anzeigen

Antwort

Lignin ist ein besonders festes Biopolymer, welches insbesondere eine große Druckfestigkeit und Beständigkeit der Zellwand ausmacht.

Frage anzeigen

Frage

Wie hoch ist der Celluloseanteil in der Primär- und Sekundärwand?

Antwort anzeigen

Antwort

Während die Primärwand jedoch nur zu etwa 10 % aus Cellulose besteht, weist die Sekundärwand jedoch einen Celluloseanteil von 90% auf.

Frage anzeigen

Frage

Wie entsteht die Primordialwand?

Antwort anzeigen

Antwort

Während der Anaphase lagern sich viele Golgi-Vesikel an der Äquatorialebene der Zelle an. Bei der Verschmelzung der Golgi-Vesikel entsteht die Primordialwand.

Frage anzeigen

Frage

Wann wird die Sekundärwand gebildet?

Antwort anzeigen

Antwort

Nachdem das Zellwachstum beendet ist, beginnt die Bildung der Sekundärwand auf der Primärwand.

Frage anzeigen
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