Plasmalemm Das Plasmalemm besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht, die aussen hydrophile und innen hydrophobe Eigenschaften besitzt.
Das Plasmalemm stellt keine undurchdringbare Wand dar: Fettlösliche Substanzen sowie gasförmige Moleküle (Sauerstoff (O2), Kohlendioxid (CO2)) gehen problemlos durch. Für wasserlösliche Substanzen bildet das Plasmalemm allerdings eine Barriere. Um solche Stoffe in die Zelle oder aus der Zelle zu schleusen, sind im Plasmalemm «Türen» eingebaut – die Membranproteine (Membraneiweisse). Sie fungieren als Pumpen und Poren für den Austausch wasserlöslicher Stoffe. (Siehe Kapitel «Stoffaustausch – ein stetiges hin und her»)
Auf der Aussenseite des Plasmalemm sitzt die Glykokalyx («Zuckerschale»). Sie besteht aus bäumchenartigen Zuckermolekülen, die in Membranproteinen (Glykoproteine) oder Lipidmolekülen (Glykolipide) stecken. Die Glykokalyx dient der Zelle als «Identitätskarte» und erlaubt dem Immunsystem die Unterscheidung zwischen körpereigen und körperfremd. Die Glykokalyx definiert zum Beispiel die Blutgruppeneigenschaften A, B, AB, 0 sowie den Rhesusfaktor. Auch für die Zell-Kommunikation ist die Glykokalyx nützlich. Zum Beispiel docken Hormone aus weit entfernten Zellen an die Glykokalyx und «sagen» der Zielzelle, was sie zu tun hat.
Das Zytoplasma – Organellen in wässrigem Milieu
Wie das Äussere der Zelle ist auch das Innere mit Wasser gefüllt. Im Wasser treiben Zellorganellen, Proteine und gelöste Stoffe, die zahlreiche Funktionen im Stoffwechsel übernehmen. Da gibt es Salze (Natrium, Kalium, Kalzium), Zuckermoleküle, Phosphate, Spurenelemente (Eisen, Zink, Chrom) und vieles mehr. Proteine machen etwa 20 % des Zytoplasmas aus. Deshalb besitzt es eine gelartige Konsistenz.
Das Zytoskelett – stabilisiert und formt die Zelle
Das Zytoskelett stabilisiert die Zelle und verleiht ihr die typische Form. Es besteht aus fädigen Eiweissen, die verschiedene Aufgaben innerhalb der Zelle übernehmen. Die beiden wichtigsten Vertreter sind die Aktinfilamente und die Mikrotubuli.
Sehr viele Aktinfilamente findet man in der Muskulatur. Dort sorgen sie zusammen mit Myosin für die Kontraktion eines Muskels. (Siehe Kapitel «Muskelgewebe – bringt Bewegung in den Körper»). Aktinfilamente findet man jedoch in allen Körperzellen. In den mobilen Zellen des Immunsystems zum Beispiel ermöglichen sie die amöboide Bewegung.
Mikrotubuli sehen aus wie winzige Röhrchen. In den Körperzellen entstehen sie schnell und zerfallen nach Gebrauch sofort, um an einer anderen Stelle erneut zu erscheinen. Mikrotubuli positionieren die Zellorganellen, helfen bei der Zellteilung und bilden Zilien im Atemtrakt sowie die Geisseln der Spermien.
Die Zellorganellen
Zellorganellen schwimmen als komplexe Strukturen im Zytoplasma. Sie erfüllen verschiedene Aufgaben im Zellstoffwechsel.
Zu den Zellorganellen gehören (Abb. 1):
Mitochondrien (Energieproduktion)
Ribosomen (Eiweissherstellung)
Endoplasmatisches Retikulum (Speicherung und Bearbeitung der Eiweisse)
Golgi-Apparat (Verpackung und Versand von Eiweissen)
Lysosomen (intrazelluläre Verdauung)
Nukleus (Hüter des Erbguts)
Die Mitochondrien – Kraftwerke der Zellen
Als Energiezentrale dient das Mitochondrium der Energiegewinnung durch Oxidation (Abb. 3). In den Mitochondrien oxidieren («verbrennen») Glukose (Traubenzucker) oder Fettsäuren mit Hilfe von O2 (Sauerstoff) zu CO2 (Kohlendioxid) und H2O (Wasser).
Abb. 3 Aufbau eines Mitochondriums [Mariana Ruiz Villarreal]
Als Gewinn entsteht der Energieträger Adenosintriphosphat (ATP). Sämtliche energieverbrauchenden Vorgänge im Körper benötigen ATP: Die Mitochondrien liefern den Nachschub. Daraus geht hervor, dass es reichlich Mitochondrien in Zellen gibt, die viel Energie verbrauchen (Herzmuskelzellen, Nervenzellen). Denkt man das weiter, wird klar, dass solche Zellen auf eine optimale Sauerstoffversorgung angewiesen sind.
Die Mitochondrien dienen auch als Kalziumspeicher und leiten die Apoptose (programmierter Zelltod) von Zellen ein. (Siehe Kapitel «Apoptose – programmierter Zelltod»)
Exkurs Oxidation Ursprüngliche Definition der Oxidation: die Verbindung eines Elements mit Sauerstoff. Modernere Definition der Oxidation: Prozess, bei dem einem Atom Elektronen entzogen werden. Der gegenteilige Prozess heisst Reduktion.
Wie bei den Körperzellen umschliesst eine Doppelmembran aus Phospholipiden die Mitochondrien. Die innere Schicht ist, anders als bei Körperzellen, gefaltet (Cristae). Hier finden komplexe chemische Reaktionen statt, die am Ende den Energieträger ATP liefern.
Eine weitere Ähnlichkeit zu Körperzellen ist das Erbgut: Jedes Mitochondrium besitzt eine eigene zirkuläre (ringförmige) DNA (Desoxyribonukleinsäure). Diese DNA wird allein von der Mutter auf die Kinder vererbt.
Forscher vermuten, dass in Urzeiten die heutigen Mitochondrien als Bakterien andere Lebewesen infizierten und daraus eine Symbiose entstand.
Die Ribosomen – Eiweissfabrik der Zelle
Ribosomen sind die Zellorganellen der Proteinsynthese (Eiweissherstellung). Die Ribosomen setzen sich aus zwei Teilen zusammen: einer kleinen und einer grossen Untereinheit. Jede Untereinheit ist aus rRNA (ribosomale Ribonukleinsäure) und zahlreichen Proteinen aufgebaut. Braucht der Körper ein Protein, wird im Zellkern zuerst eine Kopie der DNA angefertigt – die mRNA (messenger-RNA = Boten-RNA). Sie wird aus dem Zellkern geschleust und im Zytoplasma durch das Ribosom «gezogen». Es liest die Informationen der mRNA ab und «übersetzt» sie in Aminosäuren – die Bausteine der Proteine. (Siehe Kapitel «Die Proteinsynthese – Aminosäurebaukasten»)
Nach Anweisung der mRNA entsteht so eine Kette aus Aminosäuren und schliesslich das Protein (Abb. 4).
MEMO Ribosom Ribosomen kommen freischwimmend im Zytoplasma vor, aber auch angeheftet an der Wand des rER (raues endoplasmatisches Retikulum).
Abb. 4 Freies Ribosom (von zwei Seiten gesehen) mit einer grossen (1) und einer kleinen Untereinheit (2) [Dominus]
Die an den freien Ribosomen hergestellten Proteine sind für den Eigenbedarf der Zelle gedacht; die Proteine des rER sind für den Export aus der Zelle bestimmt.
Das endoplasmatische Retikulum (ER) – Lagern und Bearbeiten von Proteinen
Das ER (endoplasmatisches Retikulum) durchzieht als Hohlraumsystem netzartig (Retikulum = Netz) die Zellen (Abb. 5). Das ER kommt in fast allen Körperzellen vor, mit Ausnahme der roten Blutkörperchen (Erythrozyten).
