Zelle (Biologie)

Grundbegriff und Lebensmerkmale

Eine Zelle ist die kleinste lebende Einheit aller Organismen. Lebewesen können als Einzeller nur aus einer Zelle bestehen oder als Mehrzeller aus vielen Zellen aufgebaut sein. Bei Vielzellern können Zellen funktionelle Einheiten bilden, also Gewebe. Der menschliche Körper besitzt mehrere hundert verschiedene Zell- und Gewebetypen. Viele Zellen von Vielzellern sind so stark spezialisiert, dass sie allein nicht mehr lebensfähig sind. Die Wissenschaft von den Zellen heißt Zytologie.

Jede Zelle ist ein abgegrenztes, eigenständiges und selbsterhaltendes System. Sie kann Nährstoffe aufnehmen und deren Energie durch Stoffwechsel nutzbar machen. Neue Zellen entstehen durch Zellteilung. Die Zelle enthält die Informationen, die sie für ihre Funktionen benötigt.

Zu den grundlegenden Merkmalen des Lebens, die bei Zellen vorkommen können, gehören Vermehrung durch Zellteilung, Stoff- und Energiewechsel, Reaktion auf äußere oder innere Reize, Bewegung, Strukturiertheit, Wachstum und Entwicklung sowie Nekrose. Nicht jede Zelle besitzt alle diese Eigenschaften in gleicher Weise.

Zellen sind sehr unterschiedlich groß. Meist haben sie einen Durchmesser zwischen 1 und 30 Mikrometer. Eizellen höherer Tiere können deutlich größer sein: Die Eizelle eines Straußes hat einen Durchmesser von über 70 mm. Die menschliche Eizelle hat einen Durchmesser von 0,15 mm; sie ist die größte Zelle des Menschen und die einzige, die mit bloßem Auge erkennbar ist.

Prokaryoten und Eukaryoten

Im Laufe der Evolution entstanden zwei große Zelltypen: Prokaryoten und Eukaryoten. Prokaryotische Zellen besitzen keinen echten Zellkern und sind einfacher aufgebaut. Eukaryotische Zellen besitzen einen Zellkern und sind stärker gegliedert. Beide Zelltypen können bei Einzellern vorkommen; bei Mehrzellern schließen sich Zellen zu spezialisierten Zweckverbänden zusammen.

Prokaryotische Zellen, auch Procyten oder Protocyten genannt, kommen bei Bakterien und Archaeen vor. Ihre DNA liegt frei im Cytoplasma und ist nicht in einem echten Zellkern eingeschlossen. Der DNA-Bereich heißt Nucleoid. Das Genom besteht meist aus einem einzelnen DNA-Molekül, dem sogenannten „Bakterienchromosom“, das oft in sich geschlossen ist. Prokaryoten besitzen kleinere Ribosomen mit dem Sedimentationskoeffizienten 70 S, während eukaryotische Zellen 80-S-Ribosomen besitzen. Ihre Zellhüllen sind häufig komplex aufgebaut, teilweise mit zwei Membranen.

Prokaryoten können sehr unterschiedliche Lebensweisen haben. Einige leben unter extremen Bedingungen, zum Beispiel bei Temperaturen bis über 100 °C, in sauerstoffhaltigem oder sauerstofffreiem Milieu, bei pH-Werten von 1–4 oder bei hohem hydrostatischem Druck bis 1000 bar. Viele leben parasitär, symbiotisch oder saprovor; einige sind pathogen, also krankheitserregend. Häufig besitzen sie Plasmide, das sind zusätzliche DNA-Elemente außerhalb des Hauptchromosoms.

Eukaryotische Zellen, auch Eucyten genannt, unterscheiden sich vor allem durch den Zellkern. In ihm liegt die DNA in Chromosomen organisiert vor. Die Kernhülle besteht aus zwei Membranlagen mit einem Zwischenraum und ist typischerweise etwa 15 Nanometer dick. Eukaryotische Zellen sind stärker differenziert, weil sie viele verschiedene Funktionen übernehmen können. Ihre mittlere Zellmasse beträgt etwa 2,5 Nanogramm. Ihre Länge reicht von einigen Mikrometern bis zu mehreren Zentimetern bei Myozyten, also Muskelfaserzellen. Nervenzellen können vom Rückenmark bis in periphere Extremitäten reichen.

Pflanzen-, Tier- und Pilzzellen

Zellen von Tieren, Pflanzen und Pilzen gehören alle zu den eukaryotischen Zellen, unterscheiden sich aber in wichtigen Merkmalen. Pflanzliche Zellen besitzen immer eine Zellwand, hauptsächlich aus Cellulose; in Weichholz kommt auch viel Glucomannan vor, oft als Galactoglucomannan. Tierische Zellen haben keine Zellwand. Pilzzellen besitzen regelmäßig Zellwände mit Chitin, auch wenn Zellwände zwischen einzelnen Zellen entfallen können.

Plastiden kommen nur in pflanzlichen Zellen vor, meist als grüne Chloroplasten. Tierische und Pilzzellen besitzen keine Plastiden. Vakuolen sind in Pflanzenzellen immer vorhanden und von einer Membran, dem Tonoplasten, umgeben. In tierischen Zellen fehlen sie meist, sind aber charakteristisch für Adipozyten; in Pilzzellen sind sie immer vorhanden. Als energiereiches Kohlenhydrat-Speichermolekül verwenden Pflanzen Stärke, Tiere und Pilze Glykogen.

Pflanzliche Zellwände geben der Zelle und damit dem Pflanzenkörper eine feste Form. Sie sind durchlässig für Wasser, gelöste Nährstoffe und Gase. Tüpfel sind Öffnungen in der Zellwand, die den Stoffaustausch mit benachbarten Zellen erleichtern. Chloroplasten nutzen Lichtenergie für die Photosynthese: Lichtenergie wird aufgenommen, in chemische Energie in Form von Traubenzucker (Glucose) umgewandelt und in Form von Stärke gespeichert. Vakuolen enthalten Zellsaft, in dem Farbstoffe wie Flavone, Giftstoffe wie Coffein, Duftstoffe und andere Stoffe vorkommen können.

Grundbau der Zelle

Alle Zellen, ob prokaryotisch oder eukaryotisch, besitzen eine Zellmembran. Sie grenzt die Zelle von ihrer Umgebung ab und kontrolliert, welche Stoffe aufgenommen oder abgegeben werden. Auf beiden Seiten der Membran befinden sich Ionen in unterschiedlichen Konzentrationen; die Membran hält diesen Unterschied aufrecht, wodurch ein chemisches Potential entsteht. Das von der Zellmembran umschlossene Medium heißt Cytoplasma.

Alle teilungsfähigen Zellen enthalten DNA, in der die Erbinformation gespeichert ist. Außerdem besitzen sie Proteine, die als Enzyme chemische Reaktionen katalysieren oder Zellstrukturen bilden, sowie RNA, die besonders für den Aufbau von Proteinen wichtig ist.

Die Zellmembran, auch Plasmamembran oder Pellicula genannt, ist etwa 4 bis 5 Nanometer dick. Sie besteht hauptsächlich aus einer Doppellipidschicht und vielen Proteinen. Diese Proteine ermöglichen unter anderem den Austausch bestimmter Ionen und Moleküle sowie die Erkennung von Signalmolekülen.

Der Zellkortex ist die Cytoplasmaschicht direkt an der Innenseite der Zellmembran. Er enthält viele zytoplasmatische Proteine und Elemente des Cytoskeletts. Das Zellskelett gibt der Zelle Form und mechanische Stabilität. Es ermöglicht Bewegungen der ganzen Zelle, Transporte innerhalb der Zelle, wirkt bei der Zellteilung mit und hilft bei der Aufnahme und Weiterleitung äußerer Reize. In eukaryotischen Zellen besteht es hauptsächlich aus Mikrofilamenten (Aktinfilamenten), Mikrotubuli und Intermediärfilamenten.

Das genetische Material der Zelle besteht aus DNA und RNA. DNA speichert Informationen über längere Zeit. RNA transportiert Informationen, zum Beispiel als mRNA, oder übernimmt enzymähnliche Aufgaben, zum Beispiel als rRNA. Bei Prokaryoten liegt die DNA meist einfach und „circulär“ vor. Bei Eukaryoten liegt DNA im Zellkern linear in Chromosomen vor; außerdem besitzen Mitochondrien und Plastiden eigene circuläre DNA. Die menschliche Zelle besitzt 46 Chromosomen.

Ribosomen sind Komplexe aus RNA und Proteinen. Sie stellen aus Aminosäuren Proteine her; die mRNA liefert die Information über Art und Reihenfolge der Aminosäuren. Weil Proteinbiosynthese für alle Zellen wichtig ist, kommen Ribosomen oft in großer Zahl vor, teilweise hunderte bis tausende pro Zelle. Ihr Durchmesser beträgt 18 bis 20 nm. Zentriolen sind zylinderförmige Strukturen von etwa 170 × 500 Nanometern, die bei der Organisation von Mikrotubuli und bei der Bildung des Spindelapparats während der Mitose beteiligt sind. Sie kommen in den meisten tierischen Zellen und in Zellen niederer Pflanzen vor, nicht aber bei höheren Pflanzen (Angiospermen).

Organellen eukaryotischer Zellen

Organellen sind funktionelle Strukturen innerhalb eukaryotischer Zellen. Sie übernehmen bestimmte Aufgaben, ähnlich wie Organe im Körper. Pflanzliche und tierische Zellen unterscheiden sich teilweise in Anzahl und Funktion mancher Organellen.

Der Zellkern ist die Steuerzentrale der eukaryotischen Zelle. Er enthält die chromosomale DNA und damit die Mehrzahl der Gene. Bei Säugerzellen hat er einen Durchmesser um 6 µm. Die Kernhülle ist eine doppelte Membran mit Zwischenraum und insgesamt etwa 35 nm dick. Kernporen ermöglichen den Austausch zwischen Karyoplasma, also dem Kerninneren, und Cytoplasma. Im Zellkern findet die Transkription statt, also die Synthese von RNA. Der Nukleolus oder das Kernkörperchen hat etwa 2 bis 5 µm Durchmesser und enthält DNA-Bereiche mit Bauplänen für ribosomale RNA.

Mitochondrien kommen nur in eukaryotischen Zellen vor und vermehren sich selbst. Sie besitzen ein eigenes Genom, enthalten aber nicht alle Gene, die sie benötigen; weitere Gene liegen im Zellkern. Deshalb gelten sie als semiautonom. In ihnen werden organische Stoffe mit molekularem Sauerstoff oxidiert. Dabei wird Energie frei und als ATP gespeichert. Mitochondrien haben etwa 0,5 bis 1,5 µm Durchmesser und sind etwa 0,8 bis 4 µm lang.

Plastiden gibt es nur in photosynthetisch aktiven Eukaryoten, also Pflanzen und Algen. Auch sie besitzen ein eigenes Genom, vermehren sich selbst und sind semiautonom. Chloroplasten dienen der Photosynthese. Sie enthalten unter anderem Membransysteme mit Chlorophyll, Hilfsfarbstoffe, Elektronen- und Wasserstoffüberträger, ATP-Synthase sowie Enzyme des Calvin-Zyklus für die CO₂-Assimilation. Amyloplasten können Stärke speichern.

Das Endoplasmatische Retikulum (ER) und der Golgi-Apparat bestehen aus membranbegrenzten Hohlräumen und sind in den meisten Eukaryoten vorhanden. Das ER dient als schnelles Transportsystem für chemische Stoffe, ist an der Bildung der neuen Kernmembran in der Mitose beteiligt und spielt eine Rolle bei Translation, Proteinfaltung, Proteinmodifikationen und Proteintransport. Der Golgi-Apparat modifiziert, sortiert und transportiert Proteine weiter; fehlerhafte Proteine werden aussortiert und abgebaut.

Lysosomen sind kleine, membranumhüllte Organellen mit hydrolytischen Enzymen und Phosphatasen. Sie verdauen aufgenommene Fremdstoffe. Bei Pflanzen übernehmen Zellsaftvakuolen diese Aufgaben. Peroxisomen, in Pflanzensamen-Speichergewebe Glyoxisomen genannt, dienen als Entgiftungsapparate. Sie enthalten etwa 60 Monooxygenasen und Oxidasen, die den oxidativen Abbau von Fettsäuren, Alkohol und anderen schädlichen Verbindungen katalysieren.

Vakuolen sind große, membranumhüllte Reaktionsräume, vor allem in Pflanzen. Sie können bis zu 90 % des Zellvolumens einnehmen und kommen auch beim Pantoffeltierchen (Paramecium) vor. Ihre Aufgaben sind unter anderem die Aufrechterhaltung des Zelldrucks (Turgor), Speicherung toxischer Stoffe, Farbgebung der Zelle, Verdauung von Makromolekülen und bei kontraktilen Vakuolen die Wasserausscheidung. Zellen und Gewebe können außerdem als Arzneimittel für neuartige Therapien zur Behandlung von Krankheiten verwendet werden.