Zellorganellen

Zytoplasma

Das Zytoplasma umfasst den gesamten lebenden Inhalt einer Zelle. Dieser wird nach außen hin beim Menschen von der Plasmamembran umschlossen. Das Zytoplasma besteht aus Zellflüssigkeit (Zytosol), dem Zellskelett (Zytoskelett) und den Zellorganellen.
Bei Eukaryoten (unter anderem menschlichen Zellen) liegt das Erbgut im Zellkern. Bei den Prokaryoten (z.B. Bakterien) liegt das Erbgut frei im Zytoplasma.

Zytosol:

Das Zytosol dient als Synthesefabrik für zelluläre Bausteine wie Aminosäuren, Fettsäuren, Zuckermoleküle und Nucleotide sowie für einen Großteil der Proteinbiosynthese und der Glykolyse
Unterschiedliche Zelltypen weisen dabei unterschiedliche Muster von zytosolischen Proteinen auf
Die Ionen im Zytosol regulieren die Fluidität und die Ladungsverteilung entlang der Membranen und spielen eine wichtige Rolle als Cofaktoren vieler Enzyme
Die Ca²⁺-Ionen-Konzentration der Zelle muss streng reguliert werden, da sie zahlreiche zelluläre Prozesse steuern

Zytoskelett:

Das Zytoskelett besitzt sowohl statische als auch dynamische Funktionen wie den Erhalt und die Änderung der Zellform, die Stabilisierung der Zellmembran, Stützung von Zellfortsätzen, Zellbewegungen sowie Transport von Organellen und Vesikeln innerhalb der Zelle
Es besteht aus drei verschiedenen Elementen: Mikrotubuli, Intermediärfilamenten und Aktinfilamenten, die in Größe und Funktion variieren

Zellorganellen — OpenStax, CC BY 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/4.0>, via Wikimedia Commons. Die Abbildung ist ein Derivat der oben genannten Abbildung. Es wurden die Beschriftungen ergänzt.

Zellkern

Der Zellkern ist ein wichtiger Bestandteil jeder eukaryotischen Zelle und hat eine komplexe Struktur:

Er enthält das Erbgut der Zelle in Form von doppelsträngiger DNA
Replikation und Transkription finden im Zellkern statt
Von einer Doppelmembran umgeben
Der Raum zwischen den Membranen geht in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums (ER) über
Die äußere Membran des Zellkerns ist direkt mit dem endoplasmatischen Retikulum verbunden
Kernporen kontrollieren den Durchtritt von Molekülen wie RNA und Proteinen

Die Form des Zellkerns kann sehr unterschiedlich sein und hängt von der Form der Zelle ab. Unter der inneren Membran der Kernhülle befindet sich eine Schicht von spezifischen Intermediärfilamenten (Kernlamine), die ein dichtes Filamentgerüst unter der Membran bilden, um die Membran zu stabilisieren.

Tipp
Merkwitz: Warum konnte die Zelle nicht die Miete bezahlen?
Weil der Zellkern sein Erbgut verpfändet hat!
Merke: Im Zellkern befindet sich das Erbgut.

Kernporen

Der Zellkern wird von einer doppelten Membran umgeben, die von Kernporen durchbrochen wird
Sie regulieren den Transport von Substanzen in beide Richtungen mittels spezifischer Rezeptoren
Diese Rezeptoren werden als Karyopherine bezeichnet
Die Karyopherine erkennen die Kernlokalisierungssequenz oder die Kernexportsequenz und transportieren das Protein durch die Kernporen
Der Transport in beide Richtungen erfordert die Energie der GTPase Ran, die zwischen dem Zytoplasma und dem Karyoplasma diffundiert

Nucleoli

Innerhalb des Zellkerns lassen sich weitere Strukturen morphologisch abgrenzen, die als Nucleoli oder Kernkörperchen bezeichnet werden. Diese Strukturen haben folgende Merkmale:
Umgeben von Heterochromatin, das als perinucleäres Heterochromatin bezeichnet wird
Keine eigene Membran

Die Nucleoli haben eine wichtige Funktion in der Zelle:

Enthalten Abschnitte der DNA, die ribosomale RNAs (rRNAs) codieren
Hier findet die Transkription der rRNA-Gene statt

Beim Menschen befinden sich diese Gene in vielen aufeinander folgenden Kopien in den sekundären Einschnürungen der akrozentrischen Chromosomen (13-15, 21, 22), den sogenannten Nukleolus-Organisator- Regionen (NORs).

Nucleoli — CNX OpenStax, CC BY 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/4.0>, via Wikimedia Commons
Die Abbildung ist ein Derivat der oben genannten Abbildung. Es wurden die Beschriftungen ergänzt.

Endoplasmatisches Retikulum

Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein membranöses System, das die Zelle durchzieht und aus vesikulären und tubulären Strukturen besteht. Es ist direkt mit der äußeren Membran des Zellkerns verbunden und kann in Lamellen, Zisternen und Tubuli unterteilt werden.

Das ER lässt sich in zwei Arten unterteilen:

Das raue endoplasmatische Retikulum (rER) ist mit Ribosomen besetzt und ist der Ort der Synthese von Proteinen für die Zellmembran, Lysosomen und Sekretion
Das glatte endoplasmatische Retikulum (sER) hat keine Ribosomen und ist der Ort der Synthese von Lipiden, Steroidhormonen und der Entgiftung von toxischen Substanzen. In der quergestreiften Muskulatur dient das sER als Calciumspeicher

Das ER spielt auch eine wichtige Rolle im Transport von Molekülen zwischen verschiedenen Organellen wie dem Golgi-Apparat, Lysosomen und zwischen den Zellmembranen.

Ribosomen

Ribosomen sind essentielle Organellen, die in Pro- und Eukaryoten vorkommen und eine wichtige Rolle bei der Translation spielen.

Ribosomen sind membranlos und bestehen aus einer großen und einer kleinen Untereinheit
Die Untereinheiten bestehen aus Ribonucleinsäuren und Proteinen.
Ribosomen können frei im Zytoplasma vorkommen oder an das raue endoplasmatische Retikulum gebunden sein
Sie dienen der Synthese von Proteinen durch Übertragung der Nucleotidsequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz eines Proteins
Die von Ribosomen hergestellten Proteine können im Zytoplasma verbleiben oder in die Mitochondrien, den Zellkern oder Peroxisomen transportiert werden
Mehrere Ribosomen können gleichzeitig an ein mRNA-Molekül gebunden sein und bilden ein Polysom
Die Biosynthese der Ribosomen findet im Zellkern statt, in dem bereits vorhandene Ribosomen spontan Proteine für neue Ribosomen herstellen

Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat ist ein wichtiges membranöses Organell, das an der Sortierung und Modifikation von Proteinen und Lipiden beteiligt ist.

Der Golgi-Apparat besteht aus verschiedenen Regionen, wie dem cis-Golgi- Netzwerk, dem cis-Golgi, dem medianen-Golgi, dem trans-Golgi- Netzwerk und dem trans-Golgi
Vesikel aus dem endoplasmatischen Retikulum (ER) fusionieren mit der cis-Seite des Golgi-Apparates und setzen dort ihre Ladung aus Proteinen und Lipiden in das Lumen der Golgi-Zisternen frei.
Durch die Bewegung ganzer Zisternen oder über Vesikel wird das im Lumen befindliche Material zur trans-Seite des Golgi-Apparates befördert und gleichzeitig modifiziert
Dort werden Vesikel abgeschnürt, die entweder für den Export bestimmt sind (Export-Proteine) oder Enzyme für die primären Lysosomen beinhalten
Der Golgi-Apparat führt auch Modifikationen von Proteinen und Lipiden durch, einschließlich der Glykosylierung von Proteinen und Lipiden, Sulfatierung von Glykoproteinen, Acylierung und Phosphorylierung von Mannoseresten
Fehlfunktionen im Golgi-Apparat können die Proteinsortierung beeinträchtigen und zu Krankheiten führen

Info
Golgi-Apparat = Zellpost - sortiert und verpackt Proteine und Lipide für den Versand

Lysosomen

Lysosomen sind wichtige Organellen in Zellen, die für den Abbau von zellulären Abfällen, Makromolekülen und Fremdpartikeln zuständig sind.

Lysosomen enthalten saure Hydrolasen, Enzyme, die Makromoleküle abbauen
Primäre Lysosomen entstehen aus dem rER und dem Golgi-Apparat und enthalten nicht-metabolische Enzyme. Nicht-metabolische Enzyme sind Enzyme, die keine direkte Rolle bei den Stoffwechselprozessen haben und nicht an der Umwandlung von Nährstoffen in Energie beteiligt sind. Stattdessen haben sie andere Funktionen im Körper (Bsp.: DNA- Polymerasen, Proteasen, Cholinesterasen oder Katalasen)
Sekundäre Lysosomen entstehen, wenn primäre Lysosomen mit Endosomen oder Phagosomen verschmelzen
Der Abbau der Makromoleküle findet in sekundären Lysosomen statt, deren saures Milieu durch den aktiven Transport von H+-Ionen durch die H+- ATPase entsteht
Die Abbauprodukte werden ins Zytosol abgegeben und können für neue Synthesen wiederverwendet werden
Lysosomen spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des zellulären Stoffwechsels

Peroxisomen

Peroxisomen sind kleine, runde Vesikel, die im Zytosol vorkommen. Sie oxidieren Aminosäuren und Fettsäuren unter Verbrauch von Sauerstoff.

Die wichtigsten Funktionen von Peroxisomen sind der Abbau von langkettigen Fettsäuren, der Abbau von Wasserstoffperoxid und die Synthese von Etherlipiden und Teilschritten der Steroidhormon- und Gallensäuresynthese
Während des Fettsäureabbaus wird Wasserstoffperoxid produziert. Peroxisomen enthalten das Enzym Katalase, das Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff umwandelt und so vor einer Schädigung der Zelle schützt
Eine erbliche Störung der Peroxisomenbildung und -funktion, das Zellweger-Syndrom, kann zu neurologischen und hepatointestinalen Symptomen führen und häufig im ersten Lebensjahr zum Tod führen
Peroxisomen werden meist durch Abschnürung aus spezialisiertem glattem endoplasmatischem Retikulum gebildet und nehmen Proteine über das Zytoplasma aktiv auf
Sie sind besonders zahlreich in der Leber vorhanden und haben einen fein granulären, elektronendichten Inhalt

Mitochondrien

Die Mitochondrien sind eine der wichtigsten Organellen in der Zelle und haben eine Vielzahl von Funktionen.

Die Mitochondrien besitzen eine Doppelmembran. Sie setzen sich aus einer äußeren und einer inneren Membran zusammen
Der Raum zwischen diesen Membranen wird als Intermembranraum bezeichnet und der Innenraum als Matrix
Die innere Membran bildet leistenartige oder röhrenartige Einstülpungen, die sich bis weit in das Innere der Mitochondrien erstrecken. Nach dem Aufbau der Einstülpungen wird zwischen Mitochondrien vom Cristae-Typ (Leistentyp) und Mitochondrien vom Tubulus-Typ (Röhrentyp) unterschieden
Die Hauptfunktion der Mitochondrien ist die ATP-Synthese. Dieses dient als Energiequelle für die meisten zellulären Prozesse
Mitochondrien sind auch die Orte vieler wichtiger biochemischer Prozesse, einschließlich des Citratzyklus, der Fettsäureoxidation, der oxidativen Phosphorylierung sowie Teilschritte der Gluconeogenese
In der Mitochondrienmatrix befinden sich unter anderem Proteine, Lipide, Ribosomen und ringförmige DNA-Moleküle
Erkrankungen, die auf einer Fehlfunktion der Mitochondrien beruhen, werden als Mitochondriopathien bezeichnet

Info
Mitochondrien sind wie die Kraftwerke der Zelle, weil sie ATP produzieren und damit Energie für die Zelle bereitstellen.

Zellorganellen

Zytoplasma

Zytosol:

Zytoskelett:

Zellkern

Kernporen

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Ribosomen

Golgi-Apparat

Lysosomen

Peroxisomen

Mitochondrien

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