Die menschliche Zelle

Zellen stellen dreidimensionale Gebilde dar, bestehen aus gleichen Grundbausteinen und sind prinzipiell ähnlich aufgebaut. Sie sind die kleinste funktionelle Einheit des Körpers. In ihrer Funktion können Zellen große Unterschiede aufweisen, dementsprechend gibt es auch im Aufbau einige Abweichungen.

Grundsätzlich besteht mit wenigen Ausnahmen jede Zelle aus einem Zellkern, dem Zytoplasma, den Zellmembranen, dem Zytoskelett und den Zellorganellen.

Folgende Zellorganelle sind in der menschlichen Zelle zu finden:

• Endoplasmatisches Retikulum

• Ribosomen

• Golgi-Apparat

• Mitochondrien

• Lysosomen

Der Mensch besitzt rund 75 Billionen Zellen. Sie stellen die kleinste selbstständige Baueinheit des Körpers dar. 

Auch Tiere und Pflanzen bestehen aus Zellen und zählen mit dem Menschen zu den sogenannten Vielzellern. Es gibt auch Einzeller, also Lebewesen, die nur aus einer Zelle bestehen. Darunter fallen beispielsweise Bakterien oder einige Pilze. 

Man unterscheidet zwischen zwei Arten von Zellen. Prokaryoten besitzen keinen Zellkern und haben einen simpleren Aufbau, dazu zählen zum Beispiel Bakterien.

Im Gegensatz dazu stehen Eukaryoten, sie besitzen einen echten Zellkern und haben einen deutlich komplexeren Aufbau. Alle tierischen (dazu zählt auch der Mensch) und pflanzlichen Organismen zählen zu den Eukaryoten.

Die wichtigsten Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten:

In den folgenden Kapiteln wird die eukaryotische Zelle mit ihrem Aufbau und Bestandteilen, sowie deren Funktionen genauer erläutert. 

Der genaue Aufbau, sowie Größe und Form einer Zelle wird von ihrer Funktion bestimmt.

Die Grundfunktionen von Zellen sind jedoch bei allen Zellarten sehr ähnlich. Dazu zählen:

• Stoffwechsel und Energiegewinnung
• Vermehrung und Zelltod
• Reizaufnahme, Reizverarbeitung und Reizbeantwortung

Zusätzlich besitzen einige Zellen noch weitere besondere Eigenschaften:

• Fähigkeit zur Bewegung
• Aufnahme und Abgabe von Stoffen
• Ausbildung von speziellen Oberflächen, die besondere Funktionen ermöglichen (z.B. Flimmerhaare der Epithelzellen im Atemtrakt)

Grundsätzlich besitzt jede Zelle außen eine Zellmembran (Plasmalemm), diese umgibt den Zellleib mit dem Zytoplasma, den Zellorganellen und dem Zellkern (Nucleus).

Der Mensch verfügt über eine Reihe von sehr unterschiedlichen und spezialisierten Zelltypen in seinem Körper. Das beginnt schon sehr offensichtlich bei verschiedenen äußeren Merkmalen, die teilweise bereits unter dem Mikroskop erkennbar sind. Das Aussehen der Zellen wird wiederrum von ihren unterschiedlichen Funktionen beeinflusst.

Im menschlichen Körper existieren über 200 verschiedene Zelltypen. Um ein Gefühl dafür zu bekommen, folgen Beispiele, die die Größenvariabilität zwischen unterschiedlichen Typen zeigen.

Zusätzlich zu einfachen Größenunterschieden, kann auch Variabilität in der Kern-Plasma-Relation oder der Oberfläche-Volumen-Relation auftreten. Erythrozyten stellen eine besondere Spezies dar, sie besitzen nämlich keinen Zellkern. Auch kann beispielsweise die Anzahl von Chromosomen innerhalb der Zellen sehr unterschiedlich sein. 

Es gibt viele weitere Merkmale, die die unterschiedlichen Zellspezies individuell charakterisieren. Vor allem auch funktionell gibt es zahlreiche Möglichkeiten, von denen viele in den einzelnen Unterkapiteln zu den funktionellen Systemen des Körpers vorkommen werden.

Aufbau:

Die Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht. Das bedeutet, dass die Lipidmoleküle in einer zweireihigen Schicht angeordnet sind. Innerhalb dieser Schicht befinden sich Proteinmoleküle, welche vor allem beim Transport von Molekülen durch die Membran eine wichtige Funktion einnehmen. Die Zellmembran bildet ein sogenanntes Fluid-Mosaic-Modell, sodass die Moleküle der Membran innerhalb der Lipidschichten beweglich sind.

Membranlipide:

• Haupttypen: Phospholipide, Cholesterin, Glykolipide
• Aufbau: polar → hydrophiler Kopf (wasserliebend), lipophiler Schwanz (fettliebend)

Die hydrophile Seite der Lipide liegen auf der Außenseite der Membran, während sich der hydrophobe/lipophile Bereich in der Mitte zusammenlagert.

Membranproteine:

• Wesentlich für die Aufrechterhaltung der Membranfunktionen
• Pro 50 Lipidmoleküle: ca. 1 Proteinmolekül
• Transmembranproteine: spannen sich von einer Seite auf die andere Seite der Membran
• Periphere Proteine: lagern von außen an einer Seite der Lipidschicht an

https://de.wikipedia.org/wiki/Zellmembran#/media/Datei:Cell_membrane_detailed_diagram_de.svg 

Funktionen:

• Begrenzung der Zellen nach außen 
• Begrenzung von Zellkompartimenten innerhalb einer Zelle
• Kontrolle des Stoffaustausches: Einschleusen von Nährstoffen, Ausschleusen von Abfallstoffen
• Gewährleistung des intrazellulären Milieus: Aufrechterhaltung der ungleichen Stoffkonzentrationen
• Aufnahme und Umsetzung von Signalen mit Hilfe von Rezeptoren
• Ausbildung von Kontakten zu benachbarten Zellen und zur EZM

Glykocalyx

Die Außenseite der Zellmembran, also die hydrophilen nach außen gerichteten Teile der Phospholipide und die an die Außenseite angrenzenden Membranproteine, sind von der sogenannten Glykocalyx umgeben. Die Glykocalyx ist einer Zuckermolekülschicht, die aus Glykoproteinen und Glykopeptiden besteht. 

Sie besteht vor allem aus folgenden Zuckermolekülen: Glucose, Galaktose, Fructose und Aminozucker. Die Moleküle können auf unterschiedliche Art und Weise verknüpft werden, wodurch die Zelloberflächen sehr große Variabilität aufweisen. 

Funktionen:

• spezifisches Erkennungsmerkmal der Zelle

Glykocalyxmoleküle wirken u.a. auch als Antigene und bestimmten die serologischen Eigenschaften der Zelle

• Kontaktaufnahme zwischen den Zellen
• Zellidentifizierung
• Zellkommunikation
• Rezeptorfunktion

Die Gesamtheit des lebenden Inhalts einer Zelle wird Protoplasma genannt. Es füllt die gesamte Zelle innerhalb der Zellmembran aus.

Das Protoplasma besteht aus:

• Nucleoplasma (Karyo- oder Kernplasma)
• Zytoplasma (Zellplasma ohne Kernplasma)

das Zytoplasma besteht wiederum aus:

• Zytosol

• Zytoskelett

• Zellorganellen

Die chemische Zusammensetzung des Zytoplasmas besteht aus:

• 80-85% Wasser
• 10-15% Proteine
• 2-4% Lipide
• 1% DNA, RNA
• bis zu 1,5% Polysaccharide
• bis zu 2% Organische Moleküle
• bis zu 2% Mineralsalze

55% des Zytoplasmas macht das Zytosol aus. Es ist eine gelartige Masse und umgibt die Zellorganellen. Es ist der Ort für zahlreiche chemische Reaktionen, da es sehr enzymreich ist. Außerdem finden im Zytosol die Proteinbiosynthese und der Proteinabbau statt.

Der Zellkern ist das wichtigste Organell der Zelle und beinhaltet das Erbgut beziehungsweise die DNA.

Die Gestalt des Zellkerns kann unterschiedlich sein, er kann zum Beispiel eine runde, nierenförmige oder langgestreckte Form annehmen. Der Zellkern kann unter dem Lichtmikroskop beobachtet werden.  

Normalerweise besitzt jede eukaryotische Zelle einen Zellkern. Es gibt jedoch wenige Ausnahmen:

Funktionen:

• Speicher der Erbinformation in Form von DNA, die in Form von Chromosomen verpackt ist
• DNA-Synthese mit Replikation, Transkription und Processing der DNA 

1. Kernhülle 1a. äußere Membran 1b. innere Membran
2. Nucleolus
3. Karyoplasma
4. Chromatin 4a. Heterochromatin 4b. Euchromatin
5. Ribosomen
6. Kernporen

Kernhülle (Karyolemm)

Die Kernhülle ist eine Doppelmembran, sie umschließt den perinukleären Spalt. Sie grenzt das Karyoplasma vom Zytoplasma der Zelle ab. Der äußeren Membran sitzen Ribosomen auf, die innere Membran wird auf ihrer Innenseite von der Lamina bedeckt. An ihr sind die Chromosomen befestigt. 

Die Kernhülle besitzt viele Poren, die den Austausch von Stoffen zwischen Zytoplasma und Karyoplasma ermöglichen. 

Kernplasma (Karyoplasma)

Das Kernplasma hat eine andere Zusammensetzung als das Zytoplasma. Für die Chromosomen, die im Plasma liegen, stellt es eine optimale Arbeitsumgebung da. Es ist der Ort für die DNA-Replikation, die DNA-Transkription und das Processing. 

Kernkörperchen (Nucleolus)

Im Nucleolus werden ribosomale Proteine aus dem Zyotplasma zu den Endbestandteilen der Ribosomen synthetisiert. Er besitzt DNA-Schleifen mit rRNA-Genen, sowie rRNA-Transkripte und ribosomale Proteinuntereinheiten. Während der Zellteilung löst sich der Nucleolus auf und wird im Anschluss von Chromosomen mit einer Nucleolus-Organizer-Region (NOR) wieder aufgebaut. 

Chromatin

Das Chromatin besitzt die Erbsubstanz der Zelle, also die Chromosomen. Es ist in der Zelle als Euchromatin oder Heterochromatin zu finden.

Euchromatin:

• entspiralisierte Form und locker verteilt
• aktives Genmaterial im Arbeitskern

Heterochromatin:

• spiralisierte Form, bildet eine dicke Masse
• inaktives Genmaterial im Teilungskern
• Konstitutives Heterochromatin: dauerhaft inaktiv (z.B. Zentromerregion)
• Fakultatives Heterochromatin: nicht dauerhaft inaktiv, kann manchmal exprimiert werden (z.B. zweites X-Chromosom bei Frauen)

Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle. In ihnen wird die Energie für die Zelle in Form von ATP produziert. Die Anzahl an Mitochondrien in einer Zelle kann stark variieren. In stoffwechselaktiven Zellen mit hohem Energieverbrauch, können bis 5.000 Stück vorkommen.

Aufbau:

Das Mitochondrium wird von einer Doppelmembran umgeben, die zwischen sich den Intercristaeraum bildet. Das Innere des Mitochondriums besteht aus dem Matrixraum. Es hat eine Länge von 1-5 µm und besitzt 2-6 eigene zirkuläre DNA-Moleküle, sowie mitochondriale Ribosomen. Deswegen kann sich das Mitochondrium selbstständig und unabhängig vom Zellzyklus vermehren.

Äußere Membran:

• 50 % aus Lipiden bestehend
• zahlreiche unterschiedliche Enzyme
• Transportprotein Porin: im geöffneten Zustand können ATP, NAD und Coenzym A die äußere Membran passieren

Innere Membran:

• ragt zur Oberflächenvergrößerung in gefalteter Form in den Innenraum

• Cristae-Typ: faltenförmige Faltung
• Tubuli-Typ: röhrenförmige Faltung
• weitere Faltungen möglich
• spezifisch permeabel: Membrantransporter sind für den Durchtritt von Molekülen und Ionen notwendig
• > 150 Polypeptide, hohes Protein-Lipid-Verhältnis
• Proteine für die Aufnahme und Freisetzung von Calcium-Ionen

Matrixraum:

• zahlreiche unterschiedliche Enzyme
• mtDNA (mitochondriale DNA)
• Proteine der Atmungskette
• 70S-mt-Ribosomen (mitochondriale Ribosomen)
• tRNA (für die Synthese mitochondrialer Proteine)

https://de.wikipedia.org/wiki/Mitochondrium#/media/Datei:Animal_mitochondrion_diagram_de.svg 

Funktionen:

• ATP-Synthese

Die Energiegewinnung erfolgt über die sogenannte Oxidative Phosphorylierung, die von den Enzymen der Atmungskette, welche sich auf der Innenseite der inneren Mitochondrienmembran befinden, durchgeführt wird. Dabei werden Nährstoffe, die nach ihrem Abbau im Zytosol der Zelle ins Mitochondrium transportiert wurden, oxidiert (ein Sauerstoffmolekül wird an ein Wasserstoffmolekül gebunden). An diese Reaktion ist die Phosphorylierung von ADP (Adenosindiphosphat) zu ATP (Adenosintriphosphat) gekoppelt.

• Citratzyklus

Der Citratzyklus findet im Matrixraum des Mitochondriums statt, es entstehen unter anderem Energieäquivalente in Form von NADH+H+ und FADH2, die dann in der Atmungskette weiterverwendet werden.

• Fettsäureabbau (β-Oxidation)

Der Fettsäureabbau beginnt an der Außenseite der Mitochondrien und endet mit dem Schritt der β-Oxidation in der Mitochondrienmatrix. Dabei freiwerdende H-Atome und Acetyl-CoA werden in der Atmungskette und im Citratzyklus weiterverwertet.

• Mitwirkung an der Steroidhormonsynthese
• Apoptose

Regulation der Calcium-Konzentration im Cytosol

Das Endoplasmatische Retikulum ist ein Membransystem, das sich in ständigem Umbau befindet und durch die Zelle verzweigt. So kann es innerhalb der Zelle Kompartimente bilden und die Möglichkeit für eigene Stoffwechselräume erschaffen. Die vielen Membranen können für den intrazellulären Stofftransport genutzt werden, gleichzeitig erschaffen sie eine enorme Oberflächenvergrößerung und damit sehr viel Raum für enzymatische Reaktionen. Außerdem dient es als Membrandepot beim Aufbau von neuen Membranen.

Man unterscheidet das glatte (agranuläre) Endoplasmatische Retikulum, von dem mit Ribosomen besetzten, rauen (granulärem) Endoplasmatischen Retikulum. Beide Formen gehen ineinander über, haben aber unterschiedliche Funktionen.

Funktionen raues ER:

• Proteinbiosynthese: findet in den membranständigen Ribosomen statt

Synthese von Membranproteinen, Polypeptidketten des Kollagens, Peptidhormonen und Enzymen

• Glykosylierung
• Hydroxylierung
• Transport von Proteinen

Funktionen glattes ER:

• Entgiftung: körperfremde Substanzen wie Medikamente werden zur Ausscheidung vorbereitet (z.B. mit Hilfe des Enzyms Cytochrom P 450)
• Transport von Lösungen
• Ionenspeicher: Calcium-Speicher im sarkoplasmatischen Retikulum in Muskelzellen
• Gluconeogenese: Synthese von Glucose
• Synthese von Steroidhormonen und Membranphospholipiden 

Aufbau:

Der Golgi-Apparat besteht aus mehreren membranumschlossenen Zisternen, die stapelweise geschichtet sind. Eine Gesamtheit an Golgi-Zisternen bildet das sogenannte Diktyosom. 

Das Diktyosom ist polar aufgebaut. Es besitzt eine konvexe cis-Seite und eine konkave trans-Seite. Die Membranen für den Golgi-Apparat werden vom Endoplasmatischen Retikulum gebildet. 

Auf der cis-Seite nimmt das Diktyosom Proteine und Membranteile, die aus dem Endoplasmatischen Retikulum kommen auf. Mit Hilfe von Transportvesikel durchlaufen sie die einzelnen Membranen und werden auf der trans-Seite wieder abgegeben.

Pro Zelle können ein bis über hundert Diktyosomen vorkommen.

1. Kernmembran
2. Kernpore
3. Raues ER
4. Glattes ER
5. Ribosom
6. Transportvesikel mit Proteinen
7. Transport-Vesikel
8. Golgi-Apparat
9. cis-Golgi-Netzwerk
10. trans-Golgi-Netzwerk
11. Zisternen des Golgi-Apparates

https://de.wikipedia.org/wiki/Golgi-Apparat#/media/Datei:Nucleus_ER_golgi.svg

Funktionen:

• Lipid- und Proteinmodifikation (Glykosylierung, Sulfatisierung, Anheften von Fettsäuren, Phosphorylierung)
• Membranregeneration 
• Transport von Membranproteinen, Erhaltung des Membranflusses
• Bildung primärer Lysosomen

Lysosomen

Aufbau:

Lysosomen sind meist rundlich geformt und von einer Membran umgeben. Sie haben eine Größe von 100 nm – 1 µm. In ihrem Inneren befinden sich zahlreiche Enzyme, am stärksten vertreten sind sämtliche Arten an Hydrolasen (z.B. Proteinasen, Nucleasen, Phosphatasen), die im sauren Milieu, welches im Inneren des Lysosoms herrscht (pH 4-5), arbeiten können.

Die Membran des Lysosoms hat einen pH-Wert von 7,2 und grenzt die lysosomalen Hydrolasen vom Zytosol der restlichen Zelle ab. Sie hat eine integrierte Protonenpumpe, um den niedrigen pH-Wert innerhalb des Lysosoms aufrecht zu erhalten. Außerdem sorgen Proteine der Membran dafür, dass Abbauendprodukte durch die Membran aus dem Lysosom herausgelangen und dann in der Zelle weiterverarbeitet oder ausgeschieden werden können. 

Entstehung:

Das primäre Lysosom wird im Golgi-Apparat gebildet und ist noch nicht in Kontakt mit dem zu verdauenden Material, auch Phagosom genannt, gewesen. Sobald dies erfolgt ist, wird das primäre zum sekundären Lysosom. Die Verdauungsenzyme und Membranproteine des Lysosoms stammen aus dem Endoplasmatischen Retikulum und gelangen nach einer Modifikation im Golgi-Apparat zum Lysosom.

Arten:

Autophagolysosom: Verdauung von zelleigenem Material zur Erneuerung der Zelle oder zur Energiegewinnung

Heterophagolysosom: Verdauung von zellfremdem Material

Funktionen:

• Intrazelluläre Verdauung von intra- und extrazellulären Materialien
• Aktivierung von Hormon- und Enzymvorstufen
• Abbau von Knochen und Knorpel
• Mitwirkung beim physiologischen Zelltod
• Akrosomenreaktion: Hydrolasen des Spermiums ermöglichen das Eindringen durch die Zona pellucida der Eizelle

Proteasomen

Ein Komplex aus proteolytischen Enzymen (Proteasen) bildet das Proteasom. Die Proteasen bilden einen Zylinder mit einer inneren Kammer, die aus den aktiven Zentren der Enzyme besteht. Dort werden die zum Abbau bestimmten Proteine in ihre Einzelteile (Aminosäuren) zerlegt. 

Ubiquitin ist ein Protein, das an Proteine gebunden wird, die abgebaut werden sollen. Es wird im Proteasom entfernt und zu weiteren Verwendung wieder an die Zelle abgegeben. 

Peroxisomen

Aufbau:

Peroxisomen haben eine Größe von 0,1 – 1,0 µm Durchmesser und sind von einer Membran umhüllt. In ihrem Inneren besitzen sie zahlreiche Enzyme, darunter vor allem verschiedene Arten von Oxidasen sowie Katalasen.

Entstehung und Vorkommen:

Aus bereits vorhandenen Peroxisomen können durch sogenannte Abknospung neue Peroxisomen entstehen. Die Synthese von peroxismalen Proteinen findet an freien Ribosomen statt.

Grundsätzlich sind in den meisten Zellen Peroxisomen zu finden, besonders häufig kommen sie jedoch in Leberzellen, Nierenzellen und in den Myelinscheiden der Axone im Gehirn vor.

Funktionen:

• Synthese und Abbau von Wasserstoffperoxid (H2O2)
• β-Oxidation (Abbau) von langen, verzweigten Fettsäureketten 
• Mitwirkung an der Biosynthese von Cholesterinvorstufen, Gallensäure und Steroidhormonen

Ribosomen sind sogenannte Ribonucleoproteine, das heißt sie bestehen aus r-RNA (ribosomale-RNA) und Proteinen. Sie bestehen aus zwei Untereinheiten. Sie sind von keiner Membran umgeben.

Eukaryotische Ribosomen besitzen eine Sedimentationskonstante von 80 S, die jeweiligen Untereinheiten haben jeweils eine Sedimentationskonstante von 40 S und 60 S (CAVE: Die Sedimentationskonstante der Untereinheiten kann man nicht einfach addieren!)

Prokaryotischen Ribosomen besitzen eine Sedimentationskonstante von 70 S, sie bestehen ebenfalls aus zwei Untereinheiten mit 30 S und 50 S.

Ribosomen können frei im Zytosol liegen oder an die Membran des Zellkerns und des rauen Endoplasmatischen Retikulums geheftet sein.

Funktion:

• Mitwirkung an der Proteinbiosynthese (Neubildung von Proteinen)
  • frei liegende Ribosomen: Synthese von zelleigenen Proteinen

wenn das Ribosom gerade nicht an der Proteinbiosynthese beteiligt ist, befinden sich seine Untereinheiten getrennt voneinander im Zytoplasma

• ER-gebundene Ribosomen: Synthese von Export- oder Membranproteinen

Aufbau:

Ein Zentriol ist aus 9 Mikrotubuli-Tripletts aufgebaut, die eine Zylinderform bilden, es liegt also eine  9 * 3 Struktur vor. Sie entstehen vor Beginn der Zellteilung aus Basalkörperchen (Kinetosomen).

https://de.wikipedia.org/wiki/Zentriol#/media/Datei:Centriole3D.png 

Funktion:

Bei der Zellteilung sind Zentriolen daran beteiligt, die Polarität der Zelle für die Mitosespindel festzulegen und somit die Richtung der Zellteilung zu bestimmen.

Das Zytoskelett bildet ein dreidimensionales Netzwerk innerhalb der Zelle im Zytoplasma. Es besteht aus Proteinfilamenten und dient der Zellstabilität, dem intrazellulären Transport und der Bewegung von Organellen und Molekülen in der Zelle.

Die Bestandteile des Zytoskeletts werden ständig neu auf- und abgebaut (Polymerisierung und Depolymerisierung), es besteht also eine ständige Dynamik.

Aktin- bzw. Mikrofilamente

• Durchmesser: 7 nm
• mehrere globuläre Aktin-Monomere (G-Aktin) verbinden sich zu einem Aktinfilament (F-Aktin); die Aktinnetze bilden die Struktur der Mikrovilli und Stereozilien
• Filamin verbindet das Aktinnetz (apikales Netz), dieses ist an der Basalmembran verankert
• Mysosin dient als Motorprotein; der Myosinkopf hat ATPase-Aktivität und bindet an Aktin, bei ATPase-Spaltung kann er entlang des Aktinfilaments gleiten

Intermediärfilamente

• Durchmesser: 10 nm
• dienen der Zelle als passives Stützgerüst, werden nicht so häufig abgebaut
• zwei Intermediärfilamente → Dimer, zwei antiparallele Dimere → Tetramer → Polymerisierung zum Filament
• unterschiedliche Zellarten besitzen unterschiedliche Intermediärfilamente:

Mikrotubuli

• Durchmesser: 25 nm
• α-Tubulin und β-Tubulin bilden ein Dimer, mehrere Dimere bilden Protofilamente, 13 Protofilamente bilden einen schraubenförmigen Hohlzylinder
• Mikrotubuli-assoziierte Proteine (MAPs) verhindern den Zerfall der Mikrotubuli
• ermöglichen den Transport von Vesikeln und bestimmen die Lage der Organellen
• Bildung der Mitosespindeln
• Binnengerüst der Kinozilien, Geiseln und Zentriolen
• Entstehung: aus dem Zentrosom (bestehend aus einem Zentriolenpaar, dieses besteht wiederum aus 9 Mikrotubuli-Tripletts) 

Die Verbindungen zwischen Zellen haben mehrere Funktionen. Zum einen bieten sie eine mechanische Stabilisation innerhalb von Zellverbänden. Außerdem ermöglichen sie zwischen nebeneinanderliegenden Zellen den Austausch von Substanzen und die elektrische Kopplung, indem sie auch den Austausch von Ionen ermöglichen.

Man unterscheidet folgende Arten an Zellkontakten:

Gap Junctions (Kommunikationskontakt, Nexus)

Aufbau: 

Ein Nexus besteht aus 2 Connexonen, welche wiederum jeweils aus 6 Connexinen besteht, welche die molekularen Bausteine des Gap Junctions darstellen. Auf diese Weise können die Zellen in sehr engen Interzellulärspalten verbunden werden.

Funktion: Gap Junctions kommen ist fast allen Zellen vor.

• molekularer Stoffaustausch
• elektrische Interaktion
• Bildung eines funktionellen Synzytiums (Funktionseinheit)

https://de.wikipedia.org/wiki/Gap_Junction#/media/Datei:Gap_cell_junction-de.svg 

Tight Junctions (Verschlusskontakt, Zonula occludens)

Aufbau: 

Die benachbarten Zellmembranen liegen so nah aneinander, dass der parazelluläre Raum verschlossen ist. Dieser Verschluss wird durch die Transmembranproteine Occludin und Claudin ermöglicht, die jeweils mit dem gleichen Protein der Nachbarzelle verbunden sind. Zonula-occludens-Proteine befinden sich auf der Innenseite der Kontakte und sind mit Aktinfilamenten verbunden.

Funktion:

• Verschluss der interzellulären Spalten → Austausch zwischen extrazellulären Kompartimenten wird verhindert

https://de.wikipedia.org/wiki/Tight_Junction#/media/Datei:Cellular_tight_junction_de.png 

Haft-/ Adhäsionskontakt:

bei Zell-Zell-Kontakt: Adhärenskontakt und Desmosom

bei Zell-Matrix-Kontakt: Fokalkontakt und Hemidesmosom

Aufbau: 

Der Zellkontakt bei Haftkontakten besteht aus drei Teilen.

• Transmembranproteine: stellen mit ihrem extrazellulären Teil die Verbindung zu anderen Zellen (Cadherine) oder zur Matrix her (Integrine)
• Plaque-Proteine: stellen auf der intrazellulären Seite die Verbindung mit dem Zytoskelett her
• Aktin- und Intermediärfilamente: bestimmen den Typ des Adhäsionskontakts

Aktinfilament: Zell-Zell-Kontakt → Adhärenskontakt; Zell-Matrix-Kontakt → Fokalkontakt

Intermediärfilament: Zell-Zell-Kontakt → Desmosom; Zell-Matrix-Kontakt → Hemidesmosom

https://de.wikipedia.org/wiki/Desmosom#/media/Datei:Desmosome_cell_junction_de.svg 

Funktion:

• Mechanische Haftung zwischen Zellen oder zwischen Zellen und der extrazellulären Matrix (EZM)
• Bildung und Erhalt von Zellverbänden
• Verbindung des Zytoskeletts mit dem Extrazellulärraum
• Auslösen von intrazellulären Signalketten

Kinozilien: 

Kinozilien sind kurze Zellfortsätze mit einer Länge von 5 – 10 µm, sie bestehen aus Mikrotubuli und Motorproteinen. Dadurch können sie schlagende Bewegungen produzieren und erreichen somit Eigenmotilität.

Vorkommen: Atemwege, Eileiter

Geißeln (Flagellen): 

Geißeln treten meist einzeln oder paarweise auf. Sie haben eine Länge von bis zu 150 µm. Sie besitzen die gleiche Struktur wie Kinozilien.

Vorkommen: Spermium

Mikrovilli: 

Mikrovilli bilden zottenartige Ausstülpungen der Zellmembran mit einer Länge von bis zu 2 µm. Sie ermöglichen eine Oberflächenvergrößerung und somit eine Erhöhung der Resorptionsfähigkeit. Für ihre Stabilisierung besitzen sie Aktinfilamente.

Vorkommen: Darmepithel (als Stäbchensaum), Niere (als Bürstensaum), Geschmacksknospen

Bei Transportprozessen auf zellulärem Niveau kann man zwischen aktivem und passivem Transport unterscheiden. Der passive Transport verläuft in Richtung des Konzentrationsgefälles, weshalb keine zusätzliche Energie gebraucht wird. Beim aktiven Transport hingegen ist Energie nötig, da dieser meistens entgegen dem Konzentrationsgefälle oder dem elektrischen Gradienten verläuft. 

Passive Transportprozesse

Diffusion: 

In wässrigen Lösungen und Gasen folgen Moleküle ihren elektrochemischen Gradienten und durchqueren die Membran in dem Bereich mit der niedrigeren Konzentration der Teilchen. Das findet solange statt, bis der Konzentrations- und Ladungsunterschied auf beiden Seiten ausgeglichen ist.

• Freie Diffusion: kleine Moleküle wie H2O, O2 und CO2 können die Membran einfach passieren
• Erleichterte Diffusion: Nährstoff und Ionen können mit Hilfe von Kanalproteinen, Poren oder Carrier-Proteinen die Membran passieren

Osmose:

Die Vorrausetzung für Osmose ist eine semipermeable Membran. Durch diese Membran können zwar Lösungsmittel (z.B. Wasser), aber keine gelösten Moleküle durchtreten. Wenn die Molekülkonzentration in den beiden Räumen, die durch die Membran getrennt sind, ungleich ist, entsteht ein osmotischer Druck. Dieser führt dann dazu, dass das Lösungsmittel die Membran passiert und in den Raum mit der höheren Molekülkonzentration diffundiert. Dort steigt dann das Volumen so lange an, bis ein Konzentrationsausgleich erreicht ist.

Bsp: Zellmembran als semipermeable Membran, die von Ionen und Proteinen nur eingeschränkt passiert werden kann -> Kolloidosmotischer Druck: entsteht durch höhere Proteinkonzentration im Blutplasma im Vergleich extravasalen Raum (außerhalb des Blutgefäßes)

• Hypertone Lösung: Lösung mit höherer Teilchenkonzentration → Wasser diffundiert aus der Zelle heraus → Zelle schrumpft
• Hypotone Lösung: Lösung mit niedrigerer Teilchenkonzentration → Wasser diffundiert in die Zelle herein → Zellvolumen nimmt zu (kann bis zum Platzen der Zelle führen)

Wirkung des osmotischen Drucks auf Erythrozyten:

https://de.wikipedia.org/wiki/Osmose#/media/Datei:Erythrozyten_und_Osmotischer_Druck.svg 

Filtration:

Auf Grund von hydrostatischer Druckdifferenz kann Wasser, inklusive der im Wasser gelösten Moleküle, durch Membranen oder Poren (z.B. fenestrierte Zellmembranen, Interzellularspalten zwischen Endothelzellen) gedrückt werden. 

• Ultrafiltration: größere Moleküle werden bei der Filtration zurückgehalten oder getrennt

Aktive Transportprozesse

Funktion: Aufrechterhaltung von bestimmten Ionenkonzentrationen, Voraussetzung für das Membran- und Ruhepotential

Vesikulärer Transport: 

Die zu transportierenden Moleküle werden in membranumhüllte Vesikel verpackt und ins Zellinnere (Endozytose) oder in den Extrazellulärraum (Exozytose) transportiert. Dies erfolgt ATP-abhängig.

Die Zellteilung ist die Grundlage für zwei Kennzeichen des Lebens:

1. Wachstum
2. Fortpflanzung

Hierbei wird eine Zelle, in diesem Prozess Mutterzelle genannt, mit ihrem Zellplasma und anderen Zellbestandteilen in zwei Tochterzellen aufgeteilt. Diese Trennung wird mittels Bildung einer neuen Zellmembran gewährleistet.

Bei Eukaryoten wird zuerst nur der Kern geteilt, bevor die Zelle sich teilt. In diesem Prozess wird die Erbinformation der Mutterzelle auf entstehende Tochterzellen verteilt. Diese Verteilung unterscheidet sich bei den zwei Formen der Kernteilung: Mitose und Meiose.

Bei der Mitose und Meiose handelt es sich also um Zellkernteilungen – nicht Zellteilungen!

Bei der Mitose entstehen zwei Tochterzellen, welche die gleiche DNA der Mutterzelle besitzen.

Die Meiose führt zur Bildung von Keimzellen (Gameten, also Spermien oder Eizellen) durch Zellkernteilung. Bei der Meiose besitzen die Tochterzellen nur einen haploiden Chromosomensatz im Vergleich zu Tochterzellen der Mitose, welche einen diploiden Chromosomensatz besitzen.

Haploide Zellen haben einen einfachen Chromosomensatz, somit 23 Chromosomen.

Die diploiden Zellen besitzen einen doppelten Chromosomensatz, also 46 Chromosomen (23 Chromosomenpaare) in jeder Zelle.

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1416628

Die Zellteilung ist ein streng regulierter Prozess. Wenn dieser unkontrolliert abläuft entstehen Tumore.

Bevor die Zelle in die Mitose oder Meiose gehen kann, gilt es, noch ein paar Zykluspunkte zu durchlaufen. Die G1-Phase, die S-Phase (Synthese) und die G2-Phase. In diesen Phasen wird die DNA verdoppelt, es werden Proteine für die Zellteilung gebildet und die Zelle löst ihre Kontakte zu den umliegenden Zellen im Gewebe.

Eine Zelle, die sich gerade nicht teilen möchte, befindet sich in der G0-Phase (Dauerzustand bei den meisten Neuronen).

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12800954

Man unterscheidet verschiedene Arten von Zelltod. Die wichtigsten Beispiele sind die Apoptose und die Nekrose.

Apoptose:

• Programmierter Zelltod: physiologischer Vorgang zum Erhalt ausgeglichener Zellpopulationen
• Ablauf: Verdichtung des Zellinhalts → Zelle schrumpft → Kollaps des Zytoskeletts → Auflösung der Kernhülle → DNA wird zerschnitten und Kern fragmentiert → Phagozytose der Zellreste
• kein Schaden an anderen Zellen
• Aktivierung durch Caspasen

Nekrose:

• durch äußere Noxen ausgelöst (z.B. Sauerstoffmangel; chemische, mechanische oder physikalische Traumata, Hypothermie, Krankheitserreger)
• immer mit Entzündungszeichen verbunden
• Ablauf: Zerfall des Chromatins → Auflösung oder Verdichtung des Zellkerns → Riss der Zellmembran → Zellinhalt verteilt sich → Auslösung der Entzündungsreaktion

Weitere Beispiele:

Autolyse: Selbstauflösung durch lysosomale Enzyme

Autophagie: Abbau von zelleigenen Bestandteilen durch Autophagosomen und Lysosomen