Lerntext Grundbegriffe der Zellbiologie im Zusammenhang (pdf)

Roland Heynkes, 28.10.2018

Dieser Hypertext soll den Einstieg in die Zellbiologe erleichtern, indem er möglichst verständlich und kurz wichtige Grundbegriffe der Zellbiologe erklärt und im Zusammenhang darstellt. Zu diesem Selbstlern-Hypertext habe ich ein Übungsmodul Grundbegriffe der Zellbiologie im Zusammenhang mit klausurähnlichen Aufgaben erstellt.

Grundbegriffe der Zellbiologie im Zusammenhang

Lichtmikroskopisch kann man in Bakterien und Archaeen keine inneren Strukturen, also auch keinen Zellkern erkennen. Weil auf altgriechisch pro vorher und Kern Káryon heißt und weil Bakterien und Archaeen schon Milliarden Jahre vor dem ersten Zellkern lebten, nennt man diese Lebensformen Prokaryoten. Wie alle Zellen besitzen sie aber eine Zellmembran, die wie eine Stadtmauer wirkt und kontrolliert, welche Stoffe die Zelle mit ihrer Umwelt austauscht.

Nach der Endosymbiontentheorie (endo = griechisch für innen, Symbionten = Lebewesen, die mit Lebewesen aus anderen Spezies zu gegenseitigem Nutzen zusammenleben) entstanden die ersten Eukaryoten (eu = altgriechisch für gut oder echt), als Bakterien und Archaeen lernten, in einer Endosymbiose so eng zusammen zu leben, dass sie zu einem einzigen, zusammengesetzten Lebewesen verschmolzen. Möglicherweise lernten Archaeen, Bakterien nicht immer nur zu fressen und zu verdauen. Wahrscheinlicher lernten wohl Bakterien, in Archaeen nicht mehr als Parasiten auf Kosten ihrer Wirtszellen zu leben, sondern zum gegenseitigen Nutzen als Endosymbionten.

Eukaryoten besitzen nicht nur einen Zellkern, sondern auch andere Organellen. Organellen sind funktionell und strukturell abgegrenzte Einheiten im Inneren eukaryotischer Zellen, vergleichbar mit den Organen höherer Organismen. Zugunsten einer klaren Definition kann man fordern, dass Organellen durch eine Membran vom Rest der Zelle abgegrenzt sein müssen. Das kann man aber auch weniger eng sehen, denn die Proteine schreddernden Proteasome sind auch ohne Membran funktionelle Einheiten mit einem vom Rest der Zelle abgegrenzten inneren Raum. Schwierig wird die Abgrenzung zu Protein-Komplexen, wenn man auch Ribosomen als Organellen betrachtet.

Trotz der Uneinigkeit bei der Definition haben alle Organellen eukaryotischer Zellen ihre eigenen Funktionen. Der in der Fachsprache Nucleus genannte Zellkern ist wie eine Bibliothek, denn er enthält und schützt den Bauplan oder die Baupläne der Zelle. Unmissverständlicher sind die Begriffe Genom für die gesamte Erbinformation einer Zelle und Gen für ein einzelnes Rezept, nach dessen Vorlage die Zelle ein Protein oder eine RNA mit einer eigenständigen Funktion herstellt.

Die nach der Endosymbiontentheorie ehemals eigenständigen Bakterien heißen Mitochondrien, vermehren sich immer noch selbständig durch Zellteilung und fungieren heute als Kraftwerke der Zelle. Sie übertragen besonders effektiv die chemische Energie unserer Nährstoffe auf Adenosintriphosphat (ATP). Das ist der für alle Energie benötigenden Lebensprozesse der Zelle benutzte universelle Energieträger.

Das kurz ER genannte Endoplasmatische Retikulum (endoplasmatisch = im Plasma, Reticulum = lateinisch für kleines Netz) übernimmt die Funktion einer Fabrik mit angrenzenden Lagerhallen und einem Warenausgang, wo Produkte in selbst gebauten Lastwagen verstaut und abgeschickt werden. Man unterscheidet zwischen rauem und glattem ER. Rau wirkt das raue ER wegen der Ribosomen, die außen auf seiner Oberfläche sitzen. Sie produzieren nach der Anleitung einer als Kopie eines Gens im Zellkern synthetisierten Boten-RNS (mRNA) in das ER hinein lange Aminosäure-Ketten. Im rauen ER werden die Aminosäureketten mit Hilfe von Chaperonen zu Proteinen gefaltet, die entweder in der Membran steckenbleiben (Transmembranproteine) oder später aus der Zelle exportiert werden. Im rauen endoplasmatischen Retikulum werden die neuen Proteine auch einer Qualitätskontrolle unterzogen und modifiziert (verändert), indem an ihnen schon während der Proteinbiosynthese komplexe Kohlenhydrate entstehen. Außerdem produziert das raue ER die Membran, aus der es besteht und von der sich ständig kleine Membranbläschen (Vesikel) abschnüren.

Der ständige Nachschub schiebt ältere Teile der Membran ins glatte endoplasmatische Retikulum, auf dem keine Ribosomen mehr sitzen. In ihm werden Steroidhormone und andere Lipide synthetisiert, finden Kohlenhydrat-Stoffwechsel und Entgiftung der Zelle statt und wird die Calciumionen-Konzentration der Zelle reguliert. Muskel- und Leber-Zellen speichern im glatten endoplasmatischen Retikulum überschüssige Glucose aus dem Blut. In Muskelzellen heißt das glatte endoplasmatische Retikulum sarkoplasmatisches Retikulum und wirkt durch die Freisetzung von Calcium an der Kontraktion der Muskelzelle mit.

Der Golgi-Apparat besteht aus mehreren Membranstapeln, die Dictyosomen heißen. Er wirkt wie eine Art Poststation oder Versandhandel. Mit den Dictyosomen verschmelzen Vesikel, die Proteine aus dem ER anliefern. Diese Proteine werden weiter modifiziert, je nach ihren Bestimmungsorten markiert und sortiert in Vesikeln verpackt. Die Vesikel schnüren sich von den Dictyosomen ab und werden von Motorproteinen über das Cytoskelett zur Zellmembran oder Endosomen transportiert.

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Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0

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