Kurze Einführung in die Zellbiologie

Birgitta Meister

Zellen - Bausteine des Lebens

Nach der Theorie von Schwann und Schleiden aus dem Jahr 1839 ist die Zelle die kleinste Baueinheit des lebenden Organismus, d.h. alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut.

Was ist überhaupt Leben? Was ist ein Lebewesen? Hier die Antwort, die uns die Wissenschaft darauf gibt:

Lebewesen sind von der Umwelt abgegrenzte Individuen, die sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen:

1. sie besitzen eine ihnen eigene Struktur oder Ordnung.
2. sie haben einen Stoffwechsel, d.h. sie nehmen Stoffe aus der Umgebung auf, bauen diese zu eigener Substanz um, gewinnen Energie und geben Abfallprodukte wieder von sich.
3. sie sind in der Lage, zu wachsen und sich zu vermehren. Dies erfolgt in der Regel durch Zellteilung.
4. sie sind in der Lage, auf Umweltreize zu reagieren.

Bei primitiven ein- und mehrzelligen Lebewesen beherrschen alle Zellen sämtliche Lebensfunktionen in gleicher Weise. In einem komplex aufgebauten Organismus wie dem Menschen sind Zellen für die verschiedensten Aufgaben spezialisiert.

Der Bauplan der Natur

Zellen, egal von welchem Lebewesen oder Gewebe sie stammen, sind sich ziemlich ähnlich.

Sie bestehen aus dem Zellkern und dem Zelleib (Zytoplasma von griech. kytos = Zelle und griech. plasma = Gebilde), die äußere Begrenzung bildet die Zellmembran. Im Zytoplasma befinden sich die Zellorganellen, das sind die "Organe" der Zelle für die verschiedenen Funktionen und Stoffwechselvorgänge.

Die Zellmembran bildet sowohl die Begrenzung die Zelle nach außen als auch die der Zellorganellen innerhalb der Zelle. Sie wird von der sog. Einheitsmembran gebildet, die aus einer inneren und äußeren Eiweißschicht und einer dazwischenliegenden Schicht fettähnlicher Stoffe (Lipoide) besteht.

Die Zellmembran ist jedoch mehr als eine Grenzschicht. Sie ist ein tätiges Organ der Zelle, das einerseits die für die Zellfunktionen wichtigen Rohstoffe aussucht und in die Zelle hineinbringt, und andererseits die Produkte der Zelle, wie z.B. Eiweiße, Enzyme, Hormone und Antikörper an die Umgebung abgibt. Über Rezeptoren, "Reizempfänger" in der Zellmembran, erhält die Zelle Informationen, die ihre Aktivität beeinflussen, z.B. ob die Zelle einer Drüse Sekret absondern soll. Auch die Oberflächenantigene, z.B. die HLA-Merkmale oder die CD-Antigene, haben ihren Sitz in der Zellmembran.

Das Zytoplasma ist die Grundsubstanz der Zelle. Es besteht zu etwa 75% aus Wasser, die restlichen 25% bestehen aus Eiweißen Fetten, Kohlehydraten, Nukleinsäuren und Salzen. Die Eiweiße binden Wasser und geben ihm eine flüssige bis gelartige Konsistenz.

Unter dem Lichtmikroskop sieht das Zellplasma meist gleichförmig oder einfach strukturiert aus. Erst mit der starken Vergrößerung eines Elektronenmikroskops werden eine Reihe makromolekularer, hochspezialisierter Strukturen erkennbar, die Zellorganellen. Die wichtigsten heißen: Ribosomen, endoplasmatisches Retikulum, Zentralkörperchen, Golgi-Komplex, Mitochondrien, Lysosomen, Liposomen.

Die Ribosomen sind kugelförmige Strukturen, die aus Ribonukleinsäure (RNS) und Eiweiß bestehen. Sie können einzeln vorkommen, er können aber auch mehrere durch einen RNS-Strang zu einem sog. Polysom verbunden sein. Sie sind die Orte der Eiweißbildung, die im Abschnitt "Dechiffrierung" weiter unten ausführlich erläutert wird.

Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein vielfach verzweigtes System von Kanälen, das netzartig (lat. rete = Netz) das Zytoplasma durchzieht. Es wird von der Einheitsmembran gebildet, und ist sowohl mit der Zellmembran als auch mit der Kernmembran verbunden. Man unterscheidet dabei mehr platte Hohlräume, die Zisternen und mehr kugelförmige Hohlräume, die Vesikel.

Ein Teil der endoplasmatischen Retikulums ist von Ribosomen bedeckt und heißt rauhes ER oder Ergastoplasma. Hier findet die Bildung von Eiweißstoffen statt. Der übrige Teil wird glattes ER genannt und enthält Enzyme, die für die Bildung von Steroidhormonen und Fetten verantwortlich sind.

Das ER erfüllt verschiedene Aufgaben:

1. Aufnahme von Stoffen, auch Endocytose (von griech. endon = innen) genannt. Die Aufnahme von Flüssigkeiten heißt Pinocytose, die von festen Partikeln Phagocytose. Bei der Endocytose bildet sich zunächst eine Einstülpung der Zellmembran, die den Tropfen oder Partikel aufnimmt. Ein geschlossener Vesikel wird abgeschnürt, der zum ER wandert, wo der aufgenommene Stoff gespeichert oder verwertet wird.
2. Verwertung aufgenommener Stoffe und Bildung zelleigener Stoffe.
3. Transport von Stoffen in den Zisternen.
4. Speicherung von Stoffen an den Enden der Zisternen.
5. Abgabe von Stoffwechselendprodukten durch sog. Exocytose (von griech. exo = außen). Umgekehrt wie bei der Endocytose werden die Stoffe durch Vesikel in den Raum außerhalb der Zelle befördert.

Das Zentralkörperchen, auch Centrosom oder Centriol genannt, befindet sich oft in der Nähe des Zellkerns und besteht aus einem Ring kleiner röhrchenförmiger Strukturen (Mikrotubuli). Es ist bei der Zellteilung für die Bildung des Spindelapparates verantwortlich. Dies wird im Abschnitt "Wachset und mehret euch..." genauer erläutert.

Der Golgi-Komplex besteht aus mehreren konvex-konkav zusammengefalteten Zisternenstapeln (sog. Dictyosomen), die z.T. zu Vesikeln erweitert sind. Er steht in einem ständigen Austausch mit dem endoplasmatischen Retikulum und anderen Zellorganellen: Auf der konvexen Seite des Golgi-Komplexes werden Vesikel aus dem ER aufgenommen, auf der konkaven Seite werden Vesikel abgegeben, die dann mit anderen Zellorganellen oder der Zellmembran verschmelzen können.

Der Golgi-Komplex gilt als Zellorganelle der Sekretproduktion und stellt ein Depot für die Regeneration der Zellmembran dar.

Die Mitochondrien sind längliche Gebilde, die von einer Doppelmembran umgeben sind. Die innere Membran ist zur Vergrößerung der Oberfläche kammähnlich (Crista-Typ) oder röhrenförmig (Tubulus-Typ) gefaltet.

Sie enthalten die Enzyme der Zellatmung und dienen der Energiegewinnung. Dabei fallen zugleich Rohstoffe für andere Biosynthesen an. Die frei werdende Energie wird zur Bildung des Energielieferanten ATP (Adenosin-tri-phosphat) aus ADP (Adenosin-di-phosphat) verwendet. Dort, wo Energie gebraucht wird, entsteht aus ATP unter Abgabe von Energie wieder ADP, welches in den Mitochondrien wieder zu ATP aufgeladen wird.

Die Mitochondrien heißen daher auch "Kraftwerke der Zelle". Sie sind in stark wechselnder Zahl und Größe im Zytoplasma zu finden. Sie enthalten eigene ringförmige DNS und besitzen einen eigenen Teilungszyklus. Dadurch sind sie in der Lage, sich den Belastungen der Zelle rasch anzupassen. Je größer die Aktivität einer Zelle ist, um so zahlreicher sind die Mitochondrien.

Die Lysosomen enthalten Enzyme, die in der Lage sind, sehr große Moleküle abzubauen. Sie spielen eine Rolle bei der "Abfallbeseitigung", d.h. beim Abbau von Substanzen, die von der Zelle durch Pinocytose oder Phagocytose aufgenommen wurden oder beim Abbau von eigenem Zellmaterial.

Die Liposomen sind frei im Zytoplasma schwimmende Partikel aus Fetten oder fettähnlichen Substanzen.

Die Schaltstelle der Macht

Die Befehlszentrale für alle Lebensvorgänge der Zelle befindet sich im Zellkern. Er ist oft kugelförmig, kann aber auch von anderer Gestalt sein. Er ist von einer Doppelmembran (Karyolemm) umgeben, die mit dem endoplasmatischen Retikulum in Verbindung steht. Die Kernmembran weist Poren auf, die einen Austausch zwischen dem Zytoplasma und Kerninhalt (Karyoplasma, von griech. karyon = Kern) ermöglichen. Das Kernplasma besteht aus dem Kernsaft (Karyolymphe) und dem Chromatin, das sich gut färben läßt (von griech. chroma = Farbe). Es besteht aus der Erbsubstanz Desoxyribonukleinsäure (DNS) und sieht unter dem Lichtmikroskop netzartig strukturiert aus.

Zusätzlich enthält der Zellkern noch ein oder mehrere Kernkörperchen. Das sind "kleine Kerne im Kern", auch Nukleolen genannt, die aus DNS und Eiweiß bestehen. Sie werden als Hauptentstehungsort der Ribonukleinsäure (RNS) angesehen und spielen eine wichtige Rolle bei der Zellteilung.

Der Zellkern steuert also alle in der Zelle ablaufenden Lebensvorgänge:

1. Im Zellkern ist die gesamte Erbsubstanz der Zelle lokalisiert.
2. Der Zellkern steuert das Wachstum der Zelle.
3. Von Zellkern geht die Zellteilung aus .
4. Der Zellkern steuert sämtliche Stoffwechselvorgänge im Zytoplasma.
5. Ohne Zellkern ist die Zelle nur für kurze Zeit lebensfähig; kernlose Zellen des menschlichen Körpers sind die roten Blutkörperchen mit einer Lebensdauer von 90 Tagen.

Wachset und mehret euch...

In einem wachsenden, sich entwickelnden Organismus müssen immer mehr und mehr Zellen gebildet werden. Auch ein erwachsener Organismus ist kein statisches Gebilde. Ständig gehen Zellen zugrunde und müssen durch neue ersetzt werden. Sie sind also in der Lage, sich zu vermehren.

Dies geschieht durch Zellteilung oder Mitose: Aus dem Chromatin des Zellkerns entstehen bei der Zellteilung die Chromosomen, auch Kernschleifen genannt. DNS bildet den Achsenfaden, der von einer Eiweißhülle (Matrix) umgeben wird. Etwa in der Mitte befindet sich die primäre Einschnürung, auch Centromer oder Kinetochor genannt. Sie teilt das Chromosom in die beiden Chromosomenschenkel und ist der Ansatzpunkt für die Spindelfaser, welche bei der Zellteilung die Chromosomen auseinander zieht. Die Chromosomenschenkel können weitere (sekundäre) Einschnürungen aufweisen, die sog. Satellitenchromosome bilden.

Während der Zellteilung teilt sich der Achsenfaden in zwei Längshälften, die Chromatiden genannt werden.

Der Mensch besitzt 46 Chromosomen: 22 Paare gleicher Chromosomen (homologe Chromosomen, Autosomen) und die beiden Geschlechtschromosomen (heterologe Chromosomen, Gonosomen), die bei Frauen gleich sind und XX heißen, bei Männern jedoch verschieden sind und XY heißen.

Bei der Zellteilung wird die Erbinformation der Mutterzelle identisch verdoppelt und je ein vollständiger Chromosomensatz gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt. Man kann grob 3 Stufen definieren:

1. identische Reduplikation der DNS (Längsspaltung u. Verdopplung der Chromosomen)
2. Karyokinese (regelmäßige Verteilung der Tochterchromosomen auf die neuen Tochterkerne)
3. Zytokinese (Zuordnung eines Zytoplasmabereiches zu jedem Kern durch Zellteilung od. Furchung)

Wenn man sich teilende Zellen unter dem Mikroskop betrachtet, verläuft die Mitose in 4 Phasen:

• Interphase: Dies ist die Phase zwischen zwei Zellteilungen, in der sich die Zelle in der stoffwechselaktiven Arbeitsform befindet, d.h. sie erledigt die Aufgaben, auf die sie spezialisiert ist.

1. Prophase: Der Kern nimmt Wasser auf und schwillt an. Die Chromosomen beginnen, sich spiralig aufzurollen, das Chromatin bildet feine verschlungene Fäden. Kernmembran und Nucleolus lösen sich auf. Das Zentralkörperchen teilt sich und bildet die beiden Polkörperchen.
   
   
2. Metaphase: Die Chromatinfäden werden durch weitere Spiralisierung kurz und dick. Die Polkörperchen wandern zu den entgegengesetzten Polen der Zelle. Hiervon ausgehend bildet sich der sog. Spindelapparat. Das sind Proteinfäden, die sich im Centromer an die Chromosomen heften. Die längs gespaltenen Chromosomen ordnen sich in der Mittelebene der Zelle in der sog. Äquatorialplatte an.
   
   
3. Anaphase: Die halbierten Chromosomen werden im Centromer getrennt und von den Zugfasern des Spindelapparates zu den gegenüberliegenden Polen der Zelle gezogen. Hier liegt der Angriffspunkt der sog. Spindelgifte.
   
   
4. Telophase: Die Chromosomen sind jetzt völlig getrennt und werden von der Kernmembran umgeben. Der Spindelapparat verschwindet. Das Zytoplasma beginnt, sich durchzuschnüren.

• Interphase: In den beiden Tochterzellen bilden sich die üblichen Arbeitskerne, die Zellen erledigen ihre Aufgabe.

Das Rad des Lebens

Zellen reifen, teilen sich, reifen, teilen sich, reifen, teilen sich, ..., solange, bis sie zugrunde gehen. Die immer wiederkehrende Abfolge von Zellreifung u. -teilung bezeichnet man als Zellzyklus. Er setzt sich aus verschiedenen Phasen zusammen:

• G₀-Phase: Ruhephase oder besser Funktionsphase. Diese Phase gehört eigentlich gar nicht zum Zellzyklus. Nicht alle Zellen sind immer zur Vermehrung bereit. Sie bleiben zwar vital, teilen sich aber nicht mehr, sondern erfüllen spezielle Funktionen. Wenn die Zelle teilungsfähig bleibt, kann sie bei Bedarf auch wieder in den Zellzyklus eintreten.

1. G₁-Phase: Wachstumsphase: RNS- und Proteinbiosynthese laufen auf Hochtouren. Sie dient der "Materialbeschaffung" für die S-Phase.
   
   
2. S-Phase: DNS-Synthesephase: die DNS (Chromosomensatz) wird verdoppelt (Reduplikation): Aus einem Chromatinfaden, einem sog. Chromatid, werden 2 Chromtinfäden, die Schwester-Chromatiden.
   
   
3. G₂-Phase: Korrektur-Phase: An den neuen DNS-Strängen werden bei der Verdoppelung entstandene Fehler repariert. Es werden spezifische, zur Zellteilung notwendige Proteine, wie z.B. Enzyme synthetisiert.
   Die Phasen G₁, S und G₂ entsprechen der Interphase, die zwischen zwei Mitosen liegt.
   
   
4. M-Phase: Mitose: die eigentliche Zellteilung, die Zelle halbiert wieder ihren Chromosomensatz, es entstehen zwei Tochterzellen.

Nach Abschluß der Mitose (M-Phase) treten die Zellen entweder in erneut in die G₁-Phase ein oder bleiben in der G₀-Phase ohne weitere Teilung.

Die Dauer eines Zellzyklus wird als Generationszeit bezeichnet.

Als mitotischen Index oder Zellteilungsindex bezeichnet man die Zahl der Zellen einer Zellgruppe, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Teilung befinden. Der normale Teilungsindex der meisten Körpergewebe ist heute bekannt: weicht ein Gewebe stark davon ab, kann das ein Hinweis auf tumorartige Veränderungen sein.

Für best. Formen der Tumortherapie ist die Synchronisation der Zellzyklen (insbes. der Tumorzellen) von Bedeutung.

Dechiffrierung

Die DNS ist der Träger der Erbinformation. Aber wie wird diese Information gelesen?

Dies geschieht bei Proteinbiosynthese, dem Aufbau der körpereigenen Eiweiße. Sie sind die Genprodukte, die "Übersetzung" der Erbinformation in Eiweißstrukturen. Der genetische Code steckt in den Basen (siehe Nukleinsäuren), die sich nur in der Kombination Adenin und Thymin/Uracil oder Cytosin und Guanin paaren können.

Man kann diesen Prozeß in 4 Schritte einteilen:

1. Zum Ablesen des Gencodes wird die DNS in einen komplexen Zwischenzustand überführt, den man Replikationsgabel nennt: Sie entspiralisiert sich, wird aufgeschnitten und beiden Stränge weichen auseinander wie bei einem Reißverschluss.
   
   
2. An die aufgeschnittene DNS lagern sich Nukleotide an, die zur messenger-RNS (m-RNS) verkettet werden. Durch Bildung der Basenpaare wird also die Erbinformation "gelesen".
   
   Dieser Vorgang heißt Transkription.
   
   
3. Die m-RNS löst sich von der DNS und verläßt den Zellkern. Die Struktur der DNS wird wieder hergestellt.
   
   Im Zellplasma lagert sich eine passende transfer-RNS (t-RNS) an die m-RNS an. Die t-RNS trägt eine Aminosäure und 3 Basen (Basentriplett). Dabei ist einem Basentriplett eine bestimmte Aminosäure zugeordnet.
   
   Dieser Vorgang heißt Translation.
   
   
4. Die Aminosäuren werden zu einem Protein verbunden. Dieser Vorgang geschieht an den Ribosomen. Die t-RNS löst sich ab und kann jetzt wieder eine neue Aminosäure aufnehmen.

Normalerweise liegt das DNS-Molekül als verdrillter und spiralisierter Doppelstrang vor. Wenn für Genprodukte informationen aus der DNS benötigt werden oder die DNS bei der Zellteilung komplett kopiert wird, muß diese

1. entspiralisiert,
2. aufgetrennt,
3. abgelesen und wieder
4. verknüpft

werden.

An diesem Prozeß sind verschiedene Enzyme beteiligt:

• Helicasen entwinden eine spiralisierte DNS, können sie aber nicht aufschneiden.
  
• Topoisomerasen (auch: Gyrasen) heben sowohl die Spiralisierung als auch die Verdrillung auf, können DNS zerschneiden und auch wieder kitten. Nach dem Ablesen der Informationen werden die Stränge durch Topoisomerasen wieder verknüpft und ihre räumliche Anordnung wieder hergestellt. Es gibt eine Gruppe von Zytostatika, die diese Enzyme hemmen.
  
• Einzelstrangbindeproteine halten die aufgeschnittene DNS auseinander, damit an den entsprechenden Stellen die Information abgelesen werden kann.
  
• Polymerasen sorgen für eine Kettenverlängerung, lassen also einen DNS-Strang wachsen.
  
• Exonucleasen sind Reparaturenzyme zum Entfernen nicht gepaarter Nukleotide und defekter Basen (Punktmutationen). Sie können ein Grund für die unzureichende Wirksamkeit von Zytostatika sein, da sie die durch die Medikamente entstandenen DNS-Schäden reparieren. Andererseits sind sie für das menschliche Überleben notwendig, da sie auch Punktmutationen aufheben, die durch Umwelteinflüsse wie Gifte oder Strahlung herbeigeführt werden.