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 (durchlässig) 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.
Zellwand – Synthese
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.
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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
Der Aufbau 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:
- Mittellamelle
- Primärwand
- Sekundärwand
- Tertiärwand
Aus was besteht die Zellwand? 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.
Mittellamelle
Die Mittellamelle wird oft auch als Primordialwand 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 Funktion der Mittellamelle besteht darin, benachbarte Zellen fest miteinander zu verkleben. In pflanzlichen Zellen gibt es an den Ecken jedoch luftgefüllte Zwischenräume.
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.
Abbildung 1: Primärwand
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.
Abbildung 2: Sekundärwand
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.
Abbildung 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 in der gleichnamigen StudySmarter Erklärung!
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 (wasserabweisende) 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.
Aufgaben Zellwand – Funktion
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.
Bakterielle Zellwand
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.
Mehr zu Murein erfährst Du in der Erklärung hier auf der StudySmarter Seite!
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.
Pilze – Zellwand
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
- Georg Fuchs (2007). Allgemeine Mikrobiologie. Thieme.
- Werner Buselmaier (2003). Biologie für Mediziner : Begleittext zum Gegenstandskatalog. Springer.
- www.spektrum.de: Zellwand (15.06.2022)
- www.u-helmich.de: Zellwand Pflanzen. (15.06.2022)
- www.wasistderunterschied.com: Unterschied zwischen Zellwand und Zellmembran. (15.06.2022)
- www.u-helmich.de: Zellwand Pflanzen Bildung. (15.06.2022)
- www.pflanzenforschung.de: Zellwand. (15.06.2022)
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