E-Learning Anatomie & Physiologie
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Kapitel 2

Zellbiologie

Lernziele Kapitel 2

Lernziele Kapitel 2

Am Ende dieses Kapitels werden Sie in der Lage sein:

  • Die Struktur und Funktion der Zellen und dabei insbesondere die wichtigsten Organellen zu beschreiben
    • Zirkulatorische & zelluläre Membran
    • Zellkern
    • Zellplasma
    • Endoplasmatisches Reticulum & Ribosomen
    • Golgi-Apparat
    • Zellplasma
    • Mitochondrien
  • Die Prinzipien und Prozesse des Transmembrantransports zu verstehen
  • Das neu erworbene Wissen mit Hilfe eines Multiple-Choice-Quiz zu testen


Zellfunktionen und Struktur

Die verschiedenen Körperzellen erfüllen je nach Art unterschiedliche Aufgaben.

Zu den allgemeinen Zellfunktionen zählen der Transport von Substanzen über die Zellmembran, die Zellteilung, durch die neue Zellen entstehen, sowie die Proteinsynthese.

Zellfunktionen:

  1. Transportaufgaben
  2. Zellteilung (Wachstum)
  3. Proteinsynthese

Die Zellkomponenten im Detail

Eine tierische Zelle sieht typischerweise aus wie hier abgebildet.

Klicken Sie sich nun duch den Slider, um mehr über ihre einzelnen Bestandteile zu erfahren...

Die Zellmembran
  • Schützt die Unversehrtheit des Zellinneren
  • Trägt dazu bei, die Zellform zu stützen und zu stabilisieren
  • Überträgt Informationen (chemische und elektrische Signale)

→ Wissen+

Der Zellkern (Nucleus)
  • Enthält die Erbinformationen der Zelle
  • Kontrolliert das Zellwachstum und die Zellvermehrung
  • Alle Zellen besitzen einen Zellkern, mit einigen wenigen Ausnahmen:
    • Skelettmuskelzellen können mehrere Zellkerne besitzen
    • Rote Blutkörperchen (Erythrocyten) haben keinen Zellkern

→ Wissen+

Das Zellplasma (Kernplasma)

Das Zellplasma besteht aus Zellskelett, Cytosol und Organellen:

  • Das Zellskelett besteht aus dünnen, fadenförmigen Proteinstrukturen, den Filamenten. Es stabilisiert die Zelle und ihre äußere Form.
  • Das Cytosol beinhaltet alle flüssigen Bestandteile des Cytoplasmas. Es besteht aus den Zellskelettfilamenten, Wasser und darin gelösten Molekülen.
  • Die Organellen sind membrangebundene Zellstrukturen mit spezifischen Funktionen. Zu Ihnen gehören
    • das Endoplasmatische Reticulum
    • die Ribosomen und der Golgi-Apparat
    • die Lysosomen und die Mitochondrien

→ Wissen+

Das Endoplasmatische Reticulum

  • Funktion: Faltung von Proteinmolekülen in Zisternen (sackähnliche Strukturen)
  • Transportiert synthetisierte Proteine durch ein zusammenhängendes Netz von Membranvesikeln zum Golgi-Apparat

→ Wissen+

Die Ribosomen

  • Frei im Kernplasma
  • Verbunden mit rER (raues Endoplasmatisches Reticulum)
  • Funktion: Proteinbiosynthese

→ Wissen+

Der Golgi-Apparat

  • Modifiziert, sortiert und verpackt Proteine und Lipide für den Stofftransport aus der Zelle (Exozytose) oder für die Verwendung in der Zelle
  • Bildung von Lysosomen

Kommt in sekretorischen Zellen vor.

→ Wissen+

Die Lysosomen

  • Synthetisiert durch den Golgi-Apparat
  • Enthalten saure Hydrolasen, die Abfallstoffe und Zellrückstände abbauen

→ Wissen+

Inhalte Wissen+:
→ Phagozytose
→ Endozytose
→ Autophagozytose
→ Verdauung
→ Reparieren

Die Mitochondrien

Die Mitochiondrien werden auch als “Kraftwerke der Zellen” bezeichnet, weil sie einen Großteil des Adenosintriphosphats (ATP) produzieren, das die Zelle als chemische Energiequelle benötigt.

→ Wissen+

Wissen+ Zellmembran

Die Struktur der Zellmembran besteht aus:

  • 55 % Proteine (strukturelle Proteine, Rezeptoren, Transportproteine und Glykoproteine)
  • 40 % Lipide (Phospholipide, Glykolipide, Cholesterin)
  • 5 % Glycide

Wissen+ Zellkern (Nucleus)

Aufbau:

  • DNS, RNS, Histone
  • Chromatin
  • Chromosomen

Struktur:

  • Kernplasma
  • Kernhülle mit äußerer und innerer Membran
  • Kernporen
  • Kernkörperchen

Wissen+ Zellplasma
Wissen+ Endoplasmatisches Reticulum

Raues Endoplasmatisches Reticulum (rER):

  • Voller Ribosomen
  • Hier findet die Proteinsynthese statt
  • Ist vorrangig in Leberzellen zu finden

Glattes Endoplasmatisches Reticulum (gER):

  • Ohne Ribosomen
  • Funktionen: Lipidstoffwechsel, Kohlenhydratstoffwechsel, Entgiftung
  • In großer Menge in den Hoden von Säugetieren vorhanden

Wissen+ Ribosomen

Struktur:

  • Die kleine ribosomale Untereinheit liest die mRNA
  • Die große ribosomale Untereinheit bildet zusammen mit Aminosäuren eine Polypeptidkette
  • Jede Untereinheit besteht aus einem oder mehreren ribosomalen RNA (rRNA)-Molekülen und verschiedenen Proteinen

Die Ribosomen werden im Kernkörperchen sythetisiert.

Wissen+ Golgi-Apparat
Sythese und Proteinsekretion

Folgen Sie den Pfeilen in der Grafik, um den Weg von Proteinsynthese und -sekretion nachzuverfolgen.

Phagozytose

Verdauung von Makromolekülen aus der Phagozytose (Aufnahme anderer sterbender Zellen oder großer extrazellulärer Partikel, zum Beispiel fremde, eindringende Mikroben).

Endozytose

Recycling der Rezeptorproteine von der Zelloberfläche

Autophagozytose

Zerstörung oder Abbau alter oder nicht mehr benötigter Organellen oder Proteine

Verdauung

Verdauung von Bakterien (oder anderen Abfallstoffen), die in eine Zelle eindringen

Reparieren

Die Lysosomen tragen dazu bei, eine beschädigte Plasmamembran zu reparieren, indem sie sich wie ein Patch auf die Membran legen und die Wunde versiegeln

Wissen+ Mitochondrien

Aufbau:

  • Äußere Membran
  • Intermembranraum
  • Innere Membran
  • Cristae
  • Matrix

Der Membrantransport

Der Begriff Membrantransport bezeichnet in der Biologie den Transport von verschiedenen Stoffen durch eine Biomembran, etwa durch eine Zellwand. Der Transport kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen:

Transmembrantransport

durch Diffusion

  • Einfache Diffusion
    • Diffusion in beide Richtungen
    • Osmose in nur eine Richtung
      (semipermeable Membran)
  • Passiver Transport durch Proteine
    (Spezialfall der Diffusion)
    • Passiver Transport durch Kanalproteine
      (kanalvermittelte erleichterte Diffusion)
    • Passiver Transport durch Carrier-Proteine
      (trägervermittelte erleichterte Diffusion)
  • Aktiver Transport

Membranverlagernder Transport

mit Hilfe von Vesikeln

  • Endozytose
    (Transport in die Zelle hinein)
  • Exocytose
    (Transport aus der Zelle hinaus)
  • Transcytose
    (Transport durch eine Zelle hindurch)

Einfache (passive) Diffusion und Osmose

Einfache (passive) Diffusion

Von passiver Diffusion spricht man, wenn sich Moleküle eines gelösten Stoffs aus einem Bereich mit höherer Konzentration zu einem Bereich mit niedrigerer Konzentration bewegen, um Konzentrationsunterschiede auszugleichen.

Die Diffusion endet, sobald ein Gleichgewicht in der Konzentration erreicht ist.

Bewegung von hoher zu niedriger Konzentration
Ausgeglichenes Lösungsgleichgewicht

→ Wissen+

Osmose

Bei der Osmose bewegen sich molekulare Teilchen durch eine semipermeable Membran. Semipermeabel bedeutet halbdurchlässig, d.h., die Membran lässt zwar das Lösungsmittel (z.B. Wasser) passieren, nicht jedoch die darin gelösten Stoffe.

Die Bewegung des Lösungsmittels erfolgt dabei von einer weniger konzentrierten (hypotonen) Lösung zu einer höher konzentrierten (hypertonen) Lösung, wodurch ein Konzentrationsausgleich bewirkt wird

Die Flüssigkeit bewegt sich durch die
semipermeable Membran

Die Bewegung endet, sobald der sog.
osmotische Druck ausgeglichen ist

→ Wissen+

Passiver Transport (erleichterte Diffusion durch Proteine)

Der passive Transport ist ein Spezialfall der Diffusion. Durch die Unterstützung von Kanal- oder Transportproteinen können hier auch größere Moleküle und Ionen, etwa Zucker, Aminosäuren oder Nukleotide, die ansonsten unüberwindliche Membran durchdringen. Die Diffusion wird erleichtert.

Dieser spontane Transport von Molekülen oder Ionen durch spezifische, integrale Transmembranproteine erfordert keine Stoffwechselenergie. Der Transport ist nur vom Konzentrationsgradienten abhängig.

Passiver Transport

durch Kanalproteine

Die Kanalproteine werden auch Transmembranproteine genannt und durchspannen die Membran tunnelartig. Auf ein bestimmtes Signal hin öffnen sich die Kanäle und lassen Moleküle durch die Zellmembran diffundieren.

Passiver Transport

durch Carrier-Proteine

Hier werden Moleküle von Transport- oder Carrier-Proteinen von der einen auf die andere Seite einer Membran geschleust. Jedes Transportprotein ist auf bestimmte Moleküle spezialisiert, an das es sich über eine Bindungsstelle ankoppeln kann. Hat sich das Protein mit dem Substrat verbunden, wird das angedockte Molekül durch die Membran geschleust und auf der anderen Seite freigesetzt.

Aktiver Transport

Ein aktiver Transport erfolgt nur, wenn im jeweiligen System Energie von außen zugeführt wird. Mit dieser Energie können Verbindungen

  • gegen ein chemisches Konzentrationsgefälle bzw.
  • Ionen gegen ein elektrisches Potentialgefälle transportiert werden

Ein typischer Energielieferant ist beispielsweise das Nukleotid Adenosintriphosphat (ATP), das wichtige Energie für den Körper liefert.

→ Wissen+

Membranverlagernder Transport durch Vesikel

Endozytose
= in die Zelle hinein

Bei der Endozytose werden der Zelle durch Einstülpung der Zellmembran Kompartimente, Flüssigkeitstropfen, darin gelöste Substanzen, Makromoleküle oder andere größere Nahrungsteilchen bis hin zu kleineren anderen Zellen einverleibt.

Am Ende der Einstülpung wird ein Vesikel, das sog. Endosom, ins Cytoplasma abgeschnürt und abgestoßen, wo es Teil des Endomembransystems wird.

Exozytose
= aus der Zelle hinaus

Die Exozytose läuft umgekehrt zur Endozytose. Bei ihr geht es darum, Stoffe aus der Zelle in die Zellumgebung auszuschleusen. Dabei kann es sich um in der Zelle gebildete Stoffe oder unverdauliche Nahrungsreste handeln.

Grundsätzlich verschmilzt bei der Exozytose immer ein Exosom (Transportvesikel) mit der Zellmembran.

  • Phagozytose = Vesikeltransport von festen Stoffen
  • Pinozytose = Vesikeltransport von Flüssigkeiten

Wissen+ Diffusion

Bei der Diffusion wandern lipophile und sehr kleine unpolare Moleküle durch die Membran. Dabei folgen sie immer ihrem Bestreben, Konzentrationsgefälle auszugleichen. Nach einem Ausgleich der Konzentration stellt sich ein Fließgleichgewicht ein.

Die Diffusionsgeschwindigkeit einer reinen Phospholipidmembran hängt von folgenden Faktoren ab:

  • Konzentrationsgradient
  • Löslichkeit
  • Größe
  • Ladung, insofern das Molekül eine Nettoladung hat

Sie ist außerdem abhängig von den Eigenschaften der Transportsubstanz und der Art der Doppelschicht.

Durch die selektive Membranpermeabilität wird bestimmt, welche Stoffe durch die Membran dringen können.

Eigenschaften von Molekülen, die in der Lage sind, durch die Membran zu dringen:

  • Kleine, lipophile Moleküle ohne elektrische Ladung
  • Beispiele: Sauerstoff, CO2, Wasser, Fettsäuren, Harnstoff, Glyzerin

Wissen+ aktiver Transport

Osmotischer Druck


  • Osmotischer Druck ist der Druck, der erforderlich ist, um ein Gleichgewicht zu halten, ohne spontane Bewegung eines Lösungsmittels
  • Je höher die Konzentration einer Lösung ist, desto höher ist der osmotische Druck der Lösung

Wissen+ aktiver Transport

Aktiver Transport ist die Bewegung eines Stoffs durch eine Zellmembran unter Nutzung einer Energiequelle. Die Energie wird im Wesentlichen auf drei Wegen, oft auch in Kombination, zur Verfügung gestellt:

  • Chemische Bindungsenergie (primärer aktiver Transport)
    durch chemische Energieträger wie ATP
  • Abbau eines Ladungsgradienten (sekundärer aktiver Transport)
    d.h. die Nutzung elektrischer Energie als Antriebskraft
  • Erhöhung der Entropie in einem kommunizierenden System
    beispielsweise durch den Abbau eines anderen Konzentrationsgradienten

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Kapitel 3 – Gewebe