Die Zelle

Eine gemeinsame Grundlage, viele Spezialisierungen

Eine Hautzelle bildet eine schützende Oberfläche. Eine Muskelzelle erzeugt Kraft, eine Nervenzelle verarbeitet Signale. Diese Unterschiede entstehen durch Spezialisierung: Zellen nutzen verschiedene Teile ihrer Erbinformation und entwickeln die Ausstattung, die sie für ihre Aufgabe brauchen. Form und Funktion gehören deshalb eng zusammen. Lange Fortsätze einer Nervenzelle ermöglichen Kontakte über große Entfernungen; dicht gepackte Muskelfasern richten ihre Zugkraft in eine gemeinsame Richtung.

Typische Körperzellen besitzen eine äußere Membran, Zellplasma, Organellen und einen Zellkern. Reife rote Blutkörperchen sind auf den Transport von Atemgasen spezialisiert und verlieren während ihrer Reifung den Zellkern. Skelettmuskelfasern entstehen durch das Verschmelzen von Vorläuferzellen und enthalten mehrere Zellkerne. Solche Besonderheiten erschließen sich aus der jeweiligen Arbeit des Gewebes. [8][6]

Die Zellmembran: Grenze und Austauschfläche

Die Zellmembran besteht vor allem aus einer Doppelschicht von Lipiden. Deren wasserzugewandte Anteile zeigen nach außen und zum Zellinneren, ihre wasserabweisenden Fettsäureketten liegen einander zugewandt im Inneren der Schicht. In diese bewegliche Struktur sind Proteine eingebaut. Sie bilden Kanäle, transportieren Stoffe, nehmen Signale entgegen oder verbinden die Zelle mit ihrer Umgebung.

Auf der Außenseite tragen viele Membranbestandteile Zuckerketten. Zusammen bilden sie die Glykokalyx. Diese Oberflächenstruktur wirkt am Schutz und an der Erkennung von Zellen mit. Zellkontakte verankern Nachbarzellen mechanisch oder erlauben ihnen den Austausch kleiner Moleküle. Besonders dicht verbundene Zellen können Barrieren bilden, etwa im Darmepithel. Die genaue Ausstattung der Membran entscheidet mit darüber, welche Aufgabe eine Zelle erfüllt. [2][5]

Wie Stoffe die Membran passieren

Bei der Diffusion verteilen sich Teilchen durch ihre Wärmebewegung. Besteht ein Konzentrationsunterschied, ergibt sich ein Nettotransport entlang dieses Gefälles. Sauerstoff und Kohlendioxid können Membranen auf diese Weise passieren. Für viele andere Stoffe stehen besondere Transportproteine bereit. Kanäle öffnen einen Durchgang; Carrier binden einen Stoff und verändern beim Transport ihre Form.

Bei der erleichterten Diffusion erfolgt der Transport entlang eines Konzentrations- beziehungsweise elektrochemischen Gefälles. Aktive Transportvorgänge benötigen eine Energiequelle. Die Natrium-Kalium-Pumpe nutzt ATP, um Natriumionen aus der Zelle und Kaliumionen hinein zu transportieren. Andere Transporter koppeln den Weg eines Stoffes an einen bereits bestehenden Ionengradienten. So kann ein solcher Gradient beispielsweise die Aufnahme von Glukose antreiben.

Wasser folgt osmotischen Unterschieden. Entscheidend sind dabei gelöste Teilchen und die Durchlässigkeit der betreffenden Membran. Wasserkanäle, die Aquaporine, ermöglichen einen raschen Wasseraustausch. Die Verteilung solcher Wasserkanäle beeinflusst, wie rasch Wasser durch eine Zellmembran treten kann. [2]

Zellplasma und Organellen

Das Zytosol ist der flüssige Anteil des Zellinneren. Darin befinden sich gelöste Stoffe, Proteine und die Bausteine zahlreicher Stoffwechselreaktionen. Zusammen mit den Organellen bildet es das Zytoplasma. Membranen gliedern das Zellinnere in Reaktionsräume. Unterschiedliche chemische Bedingungen können dadurch nebeneinander bestehen.

Ribosomen stellen Proteine nach einer RNA-Vorlage her. Am rauen endoplasmatischen Retikulum entstehen vor allem Proteine für Membranen und für die Abgabe aus der Zelle. Das glatte endoplasmatische Retikulum beteiligt sich unter anderem an der Lipidbildung und an der Speicherung von Kalzium. Der Golgi-Apparat verändert, sortiert und verpackt Produkte für ihren weiteren Transport.

Lysosomen bauen aufgenommene Stoffe und verbrauchte Zellbestandteile ab. Peroxisomen sind an bestimmten Abbau- und Entgiftungsreaktionen beteiligt. Kleine membranumhüllte Bläschen, die Vesikel, transportieren Material zwischen diesen Bereichen. Bei der Endozytose nimmt die Zelle Material in solchen Bläschen auf; bei der Exozytose gibt sie deren Inhalt nach außen ab. [4]

Mitochondrien und die Bereitstellung von Energie

Mitochondrien besitzen eine äußere und eine stark gefaltete innere Membran. Hier laufen zentrale Schritte der oxidativen Energiegewinnung ab. Beim Abbau von Nährstoffen frei werdende Energie wird dazu genutzt, ATP bereitzustellen. ATP überträgt Energie auf Prozesse wie Transport, Muskelarbeit und den Aufbau neuer Moleküle.

Die Zahl und Anordnung der Mitochondrien passen zum Energiebedarf. Herzmuskelzellen benötigen eine kontinuierliche Versorgung und sind reich an Mitochondrien. Reife rote Blutkörperchen gewinnen ihr ATP über andere Stoffwechselwege im Zellplasma. Innerhalb einer Zelle verändern sich Mitochondrien fortlaufend: Sie werden erneuert, teilen sich und können miteinander verschmelzen. Ihre Arbeit ist mit dem gesamten Stoffwechsel der Zelle verbunden. [1][10]

Zellkern, Gene und Proteine

Im Zellkern liegt der größte Teil der Erbinformation in Form von DNA. DNA und zugehörige Proteine bilden das Chromatin. Vor einer Zellteilung wird die DNA verdoppelt; während der Teilung wird sie geordnet auf die Tochterzellen verteilt. Mitochondrien besitzen zusätzlich eine kleine eigene Erbinformation.

Bei der Genexpression wird zunächst eine RNA-Abschrift eines DNA-Abschnitts angefertigt. Nach weiteren Verarbeitungsschritten kann eine Boten-RNA als Vorlage für die Proteinsynthese dienen. Ribosomen übersetzen ihre Information in eine Aminosäurekette. Faltung, Veränderungen und der Transport an den vorgesehenen Ort machen daraus ein funktionsfähiges Protein.

Welche Gene eine Zelle nutzt, wird auf mehreren Ebenen reguliert. Das ermöglicht Entwicklung, Anpassung und die Spezialisierung von Zelltypen. Ein Teil der RNA erfüllt selbst Aufgaben bei der Regulation und Verarbeitung von Informationen. Die Zusammenarbeit von DNA, RNA und Proteinen bildet damit eine wesentliche Grundlage des Zelllebens. [8]

Das Zytoskelett organisiert Form und Bewegung

Ein Netzwerk aus Proteinfasern durchzieht die Zelle. Aktinfilamente, Mikrotubuli und Intermediärfilamente tragen auf unterschiedliche Weise zur Form, Belastbarkeit und inneren Organisation bei. An diesem Zytoskelett können Vesikel und andere Bestandteile mithilfe von Motorproteinen transportiert werden. Bei einer Zellteilung ordnen Mikrotubuli die Chromosomen.

Auch Bewegung nutzt dieses Gerüst. Flimmerhärchen der Atemwege befördern Schleim in Richtung Rachen. Muskelzellen erzeugen Kraft durch das Zusammenwirken von Aktin und Myosin. Abwehrzellen verändern ihre Form, um durch Gewebe zu wandern oder Partikel aufzunehmen. Der Übergang von der einzelnen Zelle zum Gewebe ist deshalb zugleich ein Übergang von innerer Organisation zu gemeinsamer Funktion. [4]

Erneuerung, Zellteilung und kontrollierter Abbau

Viele Gewebe werden lebenslang erneuert. Stamm- und Vorläuferzellen liefern neue Zellen, während ältere Zellen ihre Funktion verlieren und abgebaut werden. Die Geschwindigkeit unterscheidet sich erheblich: Oberflächenepithelien und Blutzellen haben andere Erneuerungswege als Muskel- oder Nervengewebe.

Vor einer Teilung kontrolliert die Zelle unter anderem, ob ihre DNA vollständig und ausreichend intakt ist. Reparatursysteme beheben zahlreiche Schäden. Bei der Apoptose läuft ein geordneter Abbau ab, bei dem Zellbestandteile für ihre Beseitigung vorbereitet werden. Diese Vorgänge wirken an Entwicklung, Gewebeerneuerung und der Begrenzung geschädigter Zellen mit. Wachstum entsteht aus dem abgestimmten Verhältnis von Aufbau, Teilung, Spezialisierung und Abbau. [7][9]

Zellpolarität: eine Zelle, zwei Arbeitsseiten

Epithelzellen besitzen eine apikale Seite zur freien Oberfläche oder zu einem Hohlraum. Ihre basale Seite liegt an der Basalmembran, die seitlichen Flächen grenzen an Nachbarzellen; gemeinsam werden diese Flächen als basolateral bezeichnet. Unterschiedliche Transporter und Rezeptoren besetzen diese Flächen. Dichte Zellkontakte begrenzen den Weg zwischen Nachbarzellen und erhalten die Aufteilung der Membran. Im Darm gelangt Glukose dadurch gerichtet aus dem Darminhalt zur Blutseite; in der Niere werden Stoffe aus dem Filtrat zurückgewonnen.

Die räumliche Organisation setzt sich im Zellinneren fort. Mitochondrien liegen häufig dort in größerer Zahl, wo viel ATP benötigt wird. Sekretbildende Zellen besitzen ein ausgeprägtes endoplasmatisches Retikulum und einen Golgi-Apparat. Ihre Gestalt lässt somit Rückschlüsse auf ihre Aufgabe zu. Veränderungen von Transportern, Zellkontakten oder Organellen können eine Funktion gezielt beeinträchtigen.

Der Weg eines abgegebenen Proteins

Eine Zelle, die ein Protein nach außen abgibt, verbindet mehrere Arbeitsbereiche zu einem Transportweg. Ribosomen am rauen endoplasmatischen Retikulum setzen anhand einer Boten-RNA die Aminosäurekette zusammen. Das entstehende Protein gelangt in das Retikulum, faltet sich und kann dort erste Veränderungen erhalten. Ein Transportbläschen bringt es anschließend zum Golgi-Apparat.

Dort wird es weiter bearbeitet und für seinen Bestimmungsort sortiert. Ein neues Vesikel transportiert es zur Zelloberfläche. Wenn dessen Membran mit der Zellmembran verschmilzt, gelangt der Inhalt nach außen. An diesem Ablauf wird sichtbar, weshalb Sekretzellen besonders viel raues Retikulum und einen ausgeprägten Golgi-Apparat besitzen. [4][5]

Innenraum und Umgebung: Wo die Zelle ihre Stoffe herbekommt

Die Zellmembran trennt die intrazelluläre Flüssigkeit von der extrazellulären Umgebung. Innerhalb eines Gewebes liegt zwischen den Zellen Gewebsflüssigkeit. Sie vermittelt einen wesentlichen Teil des Austauschs zwischen Kapillaren und Körperzellen. Blut strömt innerhalb der Gefäße; zahlreiche Stoffe legen den letzten Weg zwischen Gefäß und Zelle durch die Gewebsumgebung zurück.

Die Zusammensetzung dieser Räume unterscheidet sich. In vielen Zellen ist Kalium relativ stark vertreten, während Natrium in der extrazellulären Flüssigkeit eine höhere Konzentration besitzt. Proteine und andere größere Moleküle sind ebenfalls ungleich verteilt. Die Durchlässigkeit einer Membran und die Arbeit ihrer Transporter erhalten diese Unterschiede.

Versorgung lässt sich daher auf mehreren Ebenen verfolgen: Das Kreislaufsystem bringt Stoffe zum Gewebe, die lokale Austauschfläche ermöglicht den Übertritt, und die Zellmembran regelt den weiteren Zugang. Im Zellinneren entscheidet die Ausstattung mit Enzymen und Organellen, wie ein aufgenommener Stoff verwendet wird. Die Betrachtung einer einzelnen Zelle führt auf diese Weise unmittelbar zum Verständnis eines ganzen Organs. [2]

Zellwachstum und Zellteilung sind getrennte Vorgänge

Eine Zelle kann ihre Größe und Ausstattung verändern. Sie nimmt dafür Material auf, bildet neue Bestandteile und baut vorhandene um. Bei der Zellteilung kommt eine weitere Aufgabe hinzu: Die Erbinformation muss zuvor vervielfältigt und anschließend geordnet verteilt werden.

Der Zellzyklus beschreibt eine Abfolge von Wachstums-, Vorbereitungs- und Teilungsschritten. In der S-Phase wird die DNA repliziert. Die nachfolgende Vorbereitung schafft Voraussetzungen für die Mitose. Bei der Mitose wird das genetische Material auf zwei Kernbereiche verteilt; die Zytokinese teilt das Zytoplasma und die Zelle in zwei Einheiten.

Zwischen diesen Schritten liegen Kontrollpunkte. Sie koppeln den weiteren Ablauf unter anderem an den Zustand der DNA und an die geordnete Verteilung der Chromosomen. Beschädigungen können Reparaturvorgänge und eine Unterbrechung des Zellzyklus auslösen. Die Abstimmung ist für den geordneten Aufbau und die Erhaltung eines Gewebes wesentlich.

Wie oft Zellen in einen solchen Zyklus eintreten, unterscheidet sich stark. In einem erneuerungsaktiven Epithel gehören Teilung und Ersatz zum laufenden Betrieb. Viele hoch spezialisierte Zellen verbringen lange Zeit außerhalb einer aktiven Teilung. Ein Schema des Zellzyklus beschreibt daher eine mögliche Abfolge; das Verhalten eines Zelltyps muss zusätzlich für sein Gewebe erklärt werden. [7]

Stammzellen erhalten die Möglichkeit zum Ersatz

Eine Stammzelle kann sich selbst erhalten und Nachkommen hervorbringen, die sich weiter spezialisieren. Im erwachsenen Organismus ist diese Möglichkeit je nach Gewebe unterschiedlich organisiert. Vorläuferzellen durchlaufen weitere Schritte auf dem Weg zu einer funktionell spezialisierten Zelle.

Für die Gewebeerneuerung müssen mehrere Aufgaben zusammenpassen: Neue Zellen entstehen, erreichen ihren vorgesehenen Ort, bilden ihre erforderliche Ausstattung aus und werden in die vorhandene Struktur eingebunden. Das betrifft sowohl die mechanischen Verbindungen als auch die passende Membranorientierung und Kommunikation.

Im Blutbildungssystem entsteht aus einer gemeinsamen Vorläuferorganisation eine Vielfalt funktionell unterschiedlicher Zellen. In einem Epithel liefern geeignete Stamm- und Vorläuferzellen Nachschub für die Oberfläche. Die verfügbare Ersatzleistung wird dabei durch die Eigenschaften des Gewebes und die Bedingungen seiner Umgebung bestimmt. Daraus erschließt sich, weshalb die Regeneration verschiedener Körperbereiche so unterschiedlich verlaufen kann. [6]

Wichtige Begriffe

Organell

Abgegrenzter oder spezialisierter Funktionsbestandteil im Zellinneren.

ATP

Adenosintriphosphat; überträgt Energie auf zahlreiche Zellprozesse.

Genexpression

Nutzung genetischer Information zur Bildung funktioneller RNA und Proteine.

Osmose

Wasserbewegung über eine selektiv durchlässige Membran aufgrund osmotischer Unterschiede.

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