Zelle

Eine Zelle ist eine membrangebundene Struktur, die als funktionelle unabhängige Einheit des Lebens auftritt (wie bei einzelligen Organismen, z.B. Bakterien, Protozoen usw.), oder als strukturelle oder grundlegende Einheit in einem biologischen Gewebe, das auf eine bestimmte Funktion in mehrzelligen Organismen (z. B. Pflanzen und Tiere) spezialisiert ist.

Definition der Zelle

In der Biologie ist eine Zelle (Plural: Zellen) als strukturelle, funktionelle und biologische Einheit aller Organismen definiert. Sie ist eine autonome, sich selbst reproduzierende Einheit, die als funktionell unabhängige Lebenseinheit (wie im Fall eines einzelligen Organismus) oder als Untereinheit in einem mehrzelligen Organismus (wie bei Pflanzen und Tieren) existieren kann, die eine bestimmte Funktion in Geweben und Organen ausübt.

Etymologie: Der Begriff „Zelle“ kommt vom lateinischen „cella“, „cellula“, was „ein kleiner Raum“ bedeutet.

Lesen Sie: Biologische Zelle – Einführung (Tutorial)

Zelltypen

Zellen können auf verschiedene Weise typisiert werden. Zum Beispiel kann eine Zelle aufgrund des Vorhandenseins eines klar definierten Zellkerns als eukaryotisch oder prokaryotisch eingestuft werden. Zellen können auch nach der Anzahl der Zellen klassifiziert werden, aus denen ein Organismus besteht, d. h. „einzellig“, „vielzellig“ oder „azellulär“.

Prokaryotische Zelle vs. eukaryotische Zelle

Zellen lassen sich in zwei Haupttypen einteilen: prokaryotische Zellen (z. B. Bakterienzellen) und eukaryotische Zellen (z. B. Pflanzen- oder Tierzellen). Der Hauptunterschied zwischen den beiden ist ein klar definierter Zellkern, der von einer membranartigen Kernhülle umgeben ist, die nur in eukaryotischen Zellen vorhanden ist. Neben dem Zellkern gibt es in eukaryontischen Zellen noch weitere Organellen. Diese Organellen sind die Mitochondrien, die Plastiden, das endoplasmatische Retikulum und der Golgi-Apparat. Diese Organellen sind in prokaryotischen Zellen nicht vorhanden. Trotz dieser Unterschiede haben prokaryotische und eukaryotische Zellen eine Reihe von Gemeinsamkeiten: die genetische Information ist in Genen gespeichert, Proteine dienen als ihr Hauptstrukturmaterial, Ribosomen werden zur Synthese von Proteinen verwendet, Adenosintriphosphat ist die Hauptenergiequelle für den Stoffwechsel, um verschiedene zelluläre Prozesse aufrechtzuerhalten, und eine Zellmembran steuert den Fluss von Substanzen in die und aus der Zelle.

Einzellig vs. vielzellig vs. azellig

Zellen können als Grundlage dienen, um Organismen als einzellig oder vielzellig zu beschreiben. Einzellige Organismen sind solche, die nur eine Zelle haben, d.h. einzellig sind. Beispiele sind Prokaryoten und Protisten. Mehrzellige Organismen sind solche, die mehr als eine Zelle besitzen. Beispiele dafür sind Pflanzen und Tiere. Die Zellen eines mehrzelligen Organismus können gemeinsame Merkmale und Funktionen haben.

Diese Zellen, die als eine Einheit agieren, bilden ein Gewebe. Die grundlegenden Gewebetypen bei Tieren sind Epithelgewebe (oder Epithel), Nervengewebe, Bindegewebe, Muskelgewebe und Gefäßgewebe. Bei Pflanzen sind die verschiedenen Gewebearten die embryonalen oder meristematischen Gewebe (z. B. Apikalmeristem und Kambium), die permanenten Gewebe (z. B. Epidermis, Kork, Trichom) und die reproduktiven Gewebe (d. h. die sporogenen Gewebe). Die permanenten Gewebe können weiter in Grundgewebe (z. B. Parenchym, Kollenchym, Sklerenchym) und komplexe Gewebe (z. B. Phloem- und Xylemgewebe) unterteilt werden. Gewebe, die zusammenarbeiten, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen, bilden ein biologisches Organ. Im Gegensatz dazu bezeichnet der Begriff „azellulär“ ein Gewebe, das nicht aus Zellen besteht oder nicht in Zellen unterteilt ist. Ein Beispiel für azelluläres Gewebe sind die Hyphen bestimmter Pilze.

Aufbau einer Zelle

Eine Zelle ist eine membrangebundene Struktur, die Zytoplasma und zytoplasmatische Strukturen enthält. Die Zellmembran besteht aus zwei Schichten von Phospholipiden mit eingelagerten Proteinen. Sie trennt den Inhalt der Zelle von ihrer äußeren Umgebung und regelt, was in die Zelle hinein- und aus ihr herauskommt. Ein weiteres interessantes Merkmal der Zellmembran ist das Vorhandensein von Oberflächenmolekülen (z. B. Glykoproteine, Glykolipide usw.), die als „Signatur“ für eine Zelle dienen. Jede Zelle hat eine andere „Signatur“ oder einen „Marker“, von dem man annimmt, dass er bei der Zellerkennung oder in einer Art zellulärem Identifikationssystem funktioniert. Andere Zellen haben zusätzliche schützende Zellschichten über der Zellmembran, z. B. die Zellwand bei Pflanzen, Algen, Pilzen und bestimmten Prokaryoten.

Die flüssige Komponente des Zytoplasmas, die die Organellen und andere unlösliche zytoplasmatische Strukturen in einer intakten Zelle umgibt und in der eine Vielzahl von Zellprozessen abläuft, wird Zytosol genannt. Das Zytosol besteht aus Wasser, Ionen (z. B. Kalium, Natrium, Chlorid, Bikarbonat, Magnesium und Kalzium) und verschiedenen Biomolekülen, wie Nukleinsäuren, Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten. Die Kaliumionen sind im Zytosol in größerer Zahl vorhanden als in der umgebenden extrazellulären Flüssigkeit. Im Zytosol finden viele Stoffwechselreaktionen statt, z. B. die Osmoregulation, die Erzeugung von Aktionspotentialen und die Zellsignalisierung.

In eukaryotischen Zellen sind die Zellorganellen die „kleinen Organe“ im Inneren der Zelle. Diese Organellen erfüllen besondere Funktionen. Eukaryontische Zellen, die Photosynthese betreiben (z.B. Pflanzenzellen), haben zahlreiche Plastiden, insbesondere Chloroplasten (eine Art von Plastiden, die grüne Pigmente enthalten). Das Vorhandensein von Chloroplasten ist eine Möglichkeit, eine Pflanzenzelle von einer tierischen Zelle zu unterscheiden. Andere Organellen, die sowohl in Pflanzen- als auch in Tierzellen zu finden sind, sind der Zellkern, die Mitochondrien, das endoplasmatische Retikulum und der Golgi-Apparat. Der Zellkern ist die große Organelle, die das genetische Material (DNA) enthält, das in Chromosomen organisiert ist. Die Mitochondrien gelten als das Kraftwerk der eukaryontischen Zellen. Das liegt daran, dass es die Organelle ist, die Energie liefert, indem sie Adenosintriphosphat (ATP) durch Zellatmung erzeugt. Das endoplasmatische Retikulum besteht aus einem zusammenhängenden Netz abgeflachter Säcke oder Röhren, die an der Lipidsynthese, dem Kohlenhydratstoffwechsel, der Entgiftung von Medikamenten und der Befestigung von Rezeptoren an Zellmembranproteinen beteiligt sind. Es ist auch am intrazellulären Transport beteiligt, z. B. am Transport der Produkte (des rauen endoplasmatischen Retikulums) zu anderen Zellteilen wie dem Golgi-Apparat. Der Golgi-Apparat besteht aus membrangebundenen Stapeln. Er ist an der Glykosylierung, der Verpackung von Molekülen für die Sekretion, dem Transport von Lipiden innerhalb der Zelle und der Bildung von Lysosomen beteiligt.

Andere zytoplasmatische Strukturen werden in anderen Referenzen nicht als „Organellen“ betrachtet, da sie im Gegensatz zu den oben genannten Organellen, die mit zwei Membranen ausgestattet sind, nur durch eine einzige Membran verbunden sind. So werden beispielsweise Lysosomen und Vakuolen in einigen Referenzen nicht als Organellen, sondern als zytoplasmatische Strukturen betrachtet, die auf der obigen Darstellung beruhen. Lysosomen sind einmembranige Strukturen, die verschiedene Verdauungsenzyme enthalten und somit an der intrazellulären Verdauung beteiligt sind. Vakuolen wiederum sind membrangebundene Vesikel, die an der intrazellulären Sekretion, Ausscheidung, Speicherung und Verdauung beteiligt sind. Auch Ribosomen sind keine Organellen, sondern zytoplasmatische Strukturen.

Einer prokaryotischen Zelle fehlen die typischen membrangebundenen Organellen, die in einer eukaryotischen Zelle vorhanden sind. Dennoch kann sie bestimmte organellarähnliche Strukturen besitzen, wie das Carboxysom (ein Proteinhüllen-Kompartiment für die Kohlenstofffixierung in einigen Bakterien), das Chlorosom (ein Lichtsammelkomplex in grünen Schwefelbakterien), das Magnetosom (in magnetotaktischen Bakterien) und das Thylakoid (in einigen Cyanobakterien). Es hat auch ein Nukleosom, das keine Doppelmembranstruktur ist, sondern eine Region in der prokaryotischen Zelle, die Kernmaterial enthält.

Die Mitochondrien und Plastiden haben ihre eigene DNA (die als extranukleare DNA bezeichnet wird, um sie von der DNA zu unterscheiden, die sich im Inneren des Kerns befindet). Diese Organellen sind halbautonom. Aus diesem Grund geht man davon aus, dass sie von endosymbiotischen Bakterien abstammen (gemäß der Endosymbiontentheorie).

Zellzyklus

Der Zellzyklus bezieht sich auf die Abfolge von Wachstum und Teilung einer Zelle. Im Wesentlichen beinhaltet der Zellzyklus die Vervielfältigung der DNA durch DNA-Replikation, was zur Teilung der Mutterzelle führt, aus der zwei Tochterzellen hervorgehen. Diese Prozesse sind für das Wachstum, die Replikation und die Teilung der Zelle unerlässlich. Bei Eukaryoten besteht der Zellzyklus aus einer Reihe von biologischen Ereignissen, nämlich der Ruhephase, der Interphase und der Zellteilung. Während der Ruhephase befindet sich die Zelle in einem inaktiven, nicht zyklischen Zustand. Die Interphase ist die Phase des Zellzyklus, in der die Zelle das nächste Mal größer wird, ihre DNA repliziert und eine Kopie der DNA der Zelle anfertigt, um sich auf die nächste Zellteilung vorzubereiten. Die Interphase besteht aus drei Phasen: G1, S-Phase und G2. Die letzte Phase ist die Zellteilung.

Zellteilung

Die Zellteilung ist der Prozess, bei dem sich eine Mutterzelle teilt und zwei oder mehr Tochterzellen entstehen. Sie ist ein lebenswichtiger zellulärer Prozess, da sie Wachstum, Reparatur und Reproduktion ermöglicht. Bei Eukaryoten kann die Zellteilung in Form von Mitose oder Meiose erfolgen. Bei der Mitose entstehen zwei genetisch identische Zellen. Bei der Meiose entstehen vier genetisch nicht identische Zellen.

Zellwachstum und Stoffwechsel

Nach der Teilung wachsen die Zellen. Das Wachstum der Zelle wird durch den Stoffwechsel ermöglicht. Der Stoffwechsel kann in zwei Kategorien eingeteilt werden: Katabolismus und Anabolismus. Der Katabolismus umfasst eine Reihe von chemischen Abbaureaktionen, bei denen komplexe Moleküle in kleinere Einheiten zerlegt werden und dabei in der Regel Energie freigesetzt wird. Der Anabolismus umfasst eine Abfolge chemischer Reaktionen, bei denen Moleküle aus kleineren Einheiten aufgebaut oder synthetisiert werden, wobei in der Regel Energie (ATP) zugeführt werden muss. So werden Biomoleküle wie Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Lipide in der Zelle hergestellt, gespeichert und abgebaut. Der Ort der DNA- und mRNA-Biosynthese ist zum Beispiel der Zellkern. Die Proteine wiederum werden von den Ribosomen synthetisiert. Die Lipidsynthese findet im endoplasmatischen Retikulum statt.

Motilität

Einige Zellen haben spezialisierte Strukturen, die der Fortbewegung dienen. Flagellen zum Beispiel sind lange, schlanke, fadenförmige, peitschenartige Fortsätze, die die Fortbewegung durch Antrieb ermöglichen. Einige Geißeln dienen jedoch nicht der Bewegung, sondern der Wahrnehmung und Signalübertragung, z. B. Stäbchen-Photorezeptorzellen des Auges, Geruchsrezeptorneuronen der Nase, Kinocilium in der Hörschnecke des Ohrs. Flimmerhärchen sind haarähnliche Fortsätze auf der Oberfläche einiger Zellen. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Zilien: bewegliche Zilien (für die Fortbewegung) und unbewegliche Zilien (für die Wahrnehmung). Beispiele für Gewebezellen mit Zilien sind die Epithelien, die die Lunge auskleiden und Flüssigkeiten oder Partikel wegfegen. Beispiele für Organismen mit Zilien sind Protozoen, die sie zur Fortbewegung nutzen.

Forschung

Die Zellbiologie (oder Zytologie) ist die wissenschaftliche Untersuchung von Zellen. Robert Hooke wurde 1665 als erster Entdecker von Zellen genannt. Matthias Jakob Schleiden und Theodor Schwann formulierten 1839 als erste die Zelltheorie.

Verwandte Begriffe

• Zellbiologie
• Stammzelle

Siehe auch

• Zytologie
• Gewebe
• Organelle
• Zytoplasma
• Prokaryote
• Eukaryote

Referenzen und weiterführende Literatur

1. kazilek. (2009, September 27). Cell Parts | Ask A Biologist. Retrieved from Asu.edu website: https://askabiologist.asu.edu/cell-parts
2. Genetics Home Reference. (2019). What is a cell? Retrieved from Genetics Home Reference website: https://ghr.nlm.nih.gov/primer/basics/cell
3. ZELLEN II: ZELLULÄRE ORGANISATION. (2019). Abgerufen von der Website Estrellamountain.edu: https://www2.estrellamountain.edu/faculty/farabee/biobk/BioBookCELL2.html
4. ZELL- UND ORGANELLENNOTIZEN. (2019). Abgerufen von der Website Edu.pe.ca: http://www.edu.pe.ca/gray/class_pages/rcfleming/cells/notes.htm
5. Zellstruktur und -funktion. (2019). Abgerufen von Msu.edu website: https://msu.edu/~potters6/te801/Biology/biounits/cellstructure&function.htm