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1 Biologie der Zelle

Der menschliche Körper setzt sich aus 75 Billionen „Bausteinen“ zusammen, den Zellen. Die meisten davon sind rote Blutkörperchen (25 Billionen), gefolgt von Nervenzellen (100 Milliarden). Entsprechend dieser sehr großen Menge von Zellen ist die einzelne Zelle mikroskopisch klein. Mit bloßem Auge erkennbar sind nur weibliche Eizellen, die mit einem Durchmesser von 150 μm die größten Zellen des Menschen darstellen. Einige Bindegewebszellen sind dagegen nur 5  μm „groß“. Jede Zellart hat bestimmte Aufgaben. Erythrozyten z.B. transportieren Sauerstoff, Nervenzellen leiten Erregungen weiter, Keimzellen dienen der Fortpflanzung usw. Welche Leistung die jeweilige Zelle für den Organismus erbringt, ist in bestimmten Abschnitten der sog. Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. DNA) in den Genen im Zellkern gespeichert.

1.1 Was ist eine menschliche Zelle?

Als eigenständiger Organismus tritt die Zelle in Form von Einzellern (z. B. Geißeltierchen und Amöben) auf. Bei den Mehrzellern bilden die Zellen große Verbände und sind funktionelle Einheiten im Rahmen einer übergeordneten Struktur. Gene im Zellkern steuern die Vermehrung der Zellen und die Synthese von Eiweißen. Beides zusammen stellt sicher, dass sich

• aus einer befruchteten Eizelle ein vielzelliger Organismus entwickelt und

• aus gemeinsamen Vorläuferzellen so unterschiedlich differenzierte Zellen wie z. B. Gehirn-, Lungen-, Muskel- oder Leberzellen entstehen.

Recht unterschiedlich ist auch die Form von Zellen:

• Eizellen sind rund.

• Bindegewebszellen haben Fortsätze.

• Muskelzellen sind spindelförmig oder platt.

• Epithelzellen sind kubisch oder hochprismatisch.

Unterschiedliche Größen und Formen stehen häufig in engem Zusammenhang mit den jeweiligen Eigenschaften und Aufgaben von Zellen. So können z.B. Nervenzellen, die vom Gehirn zum Rückenmark ziehen, inklusive ihres Fortsatzes bis zu 1 m lang sein.

1.2 Eigenschaften von Zellen

1.2.1 Grundeigenschaften

Obwohl Zellen hinsichtlich ihrer Aufgaben sehr unterschiedlich sind, haben sie alle gemeinsame Grundeigenschaften:

• Stoffwechsel und Energiegewinnung: Um ihre Funktionen erfüllen zu können, benötigen Zellen Energie, die sie durch regelmäßige Nahrungsaufnahme bekommen. Die aufgenommenen Stoffe werden in zelleigene Verbindungen umgewandelt und in Form von Endprodukten (z.B. als Harnstoff bei der Elimination von Stickstoff) wieder an den Organismus abgegeben.

• Vermehrung und begrenzte Lebensdauer: Fast alle Zellen vermehren sich lebenslang durch Teilung. Auf diese Weise können sie z.B. Zellen ersetzen, die durch eine Verletzung zugrunde gegangen sind (Regeneration = Wiederherstellung von Geweben und Organen).

• Reizaufnahme und Reizbeantwortung: Fast alle Zellen stehen mit ihrer unmittelbaren Umgebung durch spezifische Zelloberflächenstrukturen (z. B. Rezeptoren) in Verbindung und können unterschiedliche Reize aufnehmen, auswerten und beantworten.

1.2.2 Spezifische Eigenschaften

Zusätzlich zu den ▶ Grundeigenschaften besitzen einige Zellen spezifische Eigenschaften:

• Sie können sich bewegen (z. B. Abwehrzellen im Bindegewebe, männliche Spermien im weiblichen Genitaltrakt).

• Sie können Stoffe aufnehmen (Abwehrzellen z.B. Zelltrümmer) oder abgeben (Drüsenzellen z.B. Sekrete).

• Sie können eine besondere Oberfläche mit besonderen Funktionen ausbilden: die Epithelzellen der Schleimhaut im Atemtrakt z.B. Flimmerhaare, die Epithelzellen der Schleimhaut im Dünndarm z.B. einen Bürstensaum.

1.3 Grundbauplan einer eukaryoten Zelle

Für alle Zellen des menschlichen Körpers (eukaryote Zellen) gibt es einen Grundbauplan. Unter dem Lichtmikroskop erkennt man von außen nach innen ( ▶ Abb. 1.1):

• Zellmembran (Plasmalemm)

• Zellleib (Zytoplasma) mit Zellorganellen und Zelleinschlüssen und

• Zellkern (Nucleus).

1.3.1 Zellmembran (Plasmalemm)

Die sog. Einheitsmembran ist nur 7,5 nm (1 μm = 1000 nm) dick. Sie besteht aus einer Lipiddoppelschicht, also zwei Lagen von Lipidmolekülen (Phospholipide, Cholesterin). Diese Lipidmoleküle sind so angeordnet, dass ihre fettlöslichen Anteile (Fettsäuren) einander zugekehrt sind (heller Mittelstreifen), während die wasserlöslichen Anteile an die Innen- bzw. Außenseite der Zellmembran grenzen (dunkle Außen- bzw. Innenlinie, ▶ Abb. 1.2).

Grundsätzlich ist die Lipiddoppelschicht sowohl für wasserlösliche als auch für große Moleküle undurchlässig. Die Membranproteine (Transmembranproteine, Kanalproteine etc.), die die Lipiddoppelschicht mosaikartig durchsetzen, ermöglichen jedoch den Durchtritt von Molekülen und so den ▶ Stoff- und Flüssigkeitsaustausch der Zelle mit ihrer Umgebung.

Die an die Außenseite der Zelle grenzenden Membranproteine und z. T. auch die wasserlöslichen Anteile der Phospholipide sind von einer dünnen Schicht komplexer Zuckermoleküle (Kohlenhydrate) überzogen, der Glykocalyx. Der chemische Bau der Glykocalyx ist genetisch festgelegt und spezifisch für jede Zelle. Über sie können Zellen einander als körpereigen oder körperfremd „erkennen“, s. ▶ spezifische Immunabwehr.

1.3.2 Zellleib (Zytoplasma)

Im Einzelnen gehören zum Zytoplasma:

• intrazelluläre Flüssigkeit (Hyaloplasma oder Zytosol)

• Zellorganellen

• Zelleinschlüsse (= Stoffwechselprodukte der Zelle = Paraplasma)

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