Zellaktivität

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Welche Funktionen hat die Zelle?

Die Vitalität einer Zelle hängt von ihrer Umgebung und den Aktivitäten innerhalb der Zelle ab. Dieses Kapitel soll erklären, welche Prozesse innerhalb einer Zelle stattfinden und wie die Zelle auf ihre Umgebung reagiert.

Die Funktion aller Zellen hängt von speziellen Molekülen ab, den Enzymen. Enzyme sind Proteine, die an chemischen Reaktionen beteiligt sind. Sie helfen den Zellen dabei, Produkte - zum Beispiel Proteine - zu synthetisieren, Kopien der DNA-Moleküle anzufertigen, Energie für Zellaktivitäten aufzubereiten und bestimmte Moleküle abzubauen. Jedes Enzym ist auf bestimmte Aufgaben spezialisiert.

Ohne Enzyme würden die meisten chemischen Reaktionen, die innerhalb der Zellen stattfinden, sehr langsam ablaufen oder erst gar nicht funktionieren. Enzyme wirken als Katalysatoren, indem sie dabei helfen, Reaktionen zu beschleunigen.

Enzyme kommen - je nach ihrer Funktion - an unterschiedlichen Orten der Zelle vor. An der Zelloberfläche helfen sie den Rezeptorproteinen dabei, Signale an die Zelle weiterzugeben, wenn bestimmte Proteine im wässrigem Umgebungsmilieu entdeckt werden. Im Zytoplasma ermöglichen die Enzyme den Strukturproteinen des Zytoplasmas, ihre Aufgaben zu erledigen, wie z.B. zu kontrahieren, die Zellform zu verändern oder die Zelle zu teilen. Im Zellkern ermöglichen die Enzyme der Zelle, die DNA zu kopieren. In den Mitochondrien haben Enzyme die Aufgabe, der Zelle Energie bereitzustellen, indem sie Energie aus der Nahrung in ATP umwandelt.

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Membrantransport

Du hast zuvor gelernt, dass die Zellmembran kontrolliert, welche Stoffe in die Zelle hinein- und aus der Zelle hinausgelangen. Einige Proteine, die in der Membran verankert sind, kontrollieren, welche Moleküle die Membran passieren können. Manche dieser Proteinkanäle können sich je nach Bedarf öffnen oder schließen. Andere Kanalproteine hingegen pumpen die Moleküle aktiv auf die andere Seite der Zellmembran. Wiederum andere Proteine fungieren als Rezeptoren, die Signale in die Zelle senden, wenn sich bestimmte chemische Stoffe im wässrigen Umgebungsmilieu der Zelle befinden. Weil die Membran für bestimmte Moleküle durchlässig (permeabel) ist, für andere jedoch undurchlässig, wird sie auch als semipermeable Membran ('semi' bedeutet 'halb') oder selektiv permeable Membran bezeichnet.

Diffusion beschreibt die passive Bewegung von Molekülen von einer Umgebung mit höherer Konzentration zu einer Umgebung mit niedrigerer Konzentration. Solange der Konzentrationsunterschied der gelösten Stoffe unterschiedlich ist, hält die Diffusion an. Wenn keine Diffusion mehr stattfindet, heißt das, dass die Konzentration der gelösten Stoffe in einem bestimmten System ausgeglichen ist – es herrscht ein Konzentrationsgleichgewicht.

Osmose

Die semipermeable Membran der meisten Zellen ist zwar für Wasser durchlässig, aber nicht für die meisten anderen Substanzen, die im Wasser gelöst sind. Bei einer Membran, die wasserdurchlässig, aber undurchlässig für andere gelöste Stoffe in der Zelle ist, wandern (diffundieren) die Wassermoleküle von der Seite der niedrigeren Konzentration zur Seite der höheren Konzentration. Deine roten Blutkörperchen sind zum Beispiel runde Scheiben, die aussehen wie Donuts ohne Loch in der Mitte. Wenn du einige deiner roten Blutkörperchen in Leitungswasser gibst, dann schwellen sie zu prall gefüllten kleinen Bällen an. Es könnte sogar passieren, dass sie so lange anschwellen, bis sie platzen. Dies geschieht, da die Konzentration der Lösung innerhalb der roten Blutkörperchen mit all den gelösten Proteinen und anderen Substanzen des Zytoplasmas höher ist als die Konzentration des Leitungswassers außerhalb der Zelle. Diesen Prozess, bei dem Wasser durch eine semipermeable Membran (z.B. eine Zellmembran) in Richtung der höheren Konzentration diffundiert, nennt man Osmose. Die roten Blutkörperchen schwellen so lange an, bis sie platzen, da Leitungswasser weniger gelöste Stoffe beinhaltet als das Zytoplasma in den roten Blutkörperchen. Im Gegensatz dazu ist im Meerwasser eine höhere Menge an Stoffen (wie z.B. Salze) gelöst als innerhalb einer Zelle. Wenn du rote Blutkörperchen in Salzwasser gibst, dann diffundiert das Wasser so lange aus den Zellen heraus, bis sie schrumpfen und schrumpeln.

Passiver und aktiver Transport

Diffusion und Osmose sind Beispiele für passiven Transport. Passiver Membrantransport findet dann statt, wenn ein Konzentrationsunterschied an gelösten Substanzen vorhanden ist und die Moleküle sich passiv und ungeleitet bewegen, um einen Konzentrationsunterschied auszugleichen. Bei einem passiven Transport benötigt die Zelle keine Energie, um die Moleküle zu bewegen.

Beim aktiven Transport bewegen sich die Moleküle von einer Umgebung höherer Konzentration in eine Umgebung niedrigerer Konzentration, also entgegen dem Konzentrationsgefälle von zwei Lösungen. Für diese ‚Bergaufwärts’-Bewegung muss die Zelle Energie aufwenden. Diese Energie kommt direkt vom Adenosintriphosphat (ATP). Ein gutes Beispiel für einen solchen aktiven Transport bieten die Zellmembranen von Nervenzellen. Die Konzentration der positiv geladenen Kaliumionen (K+) wird im Inneren der Nervenzelle auf einem hohen Niveau gehalten. Die Konzentration der positiv geladenen Natriumionen (Na+) hingegen wird außerhalb der Nervenzellmembran auf einem hohen Niveau gehalten. Durch diese Konzentrationsunterschiede neigen Kaliumionen dazu, aus der Nervenzelle hinauszuströmen, und Natriumionen dazu, in die Zelle hineinzuströmen. Ionenpumpen in der Zellmembran verwenden ATP, um die Energie aufzuwenden (K+) , die benötigt wird, um Kaliumionen wieder zurück in die Zelle zu pumpen, damit die Kaliumkonzentration hoch genug gehalten werden kann. Dieser aktive Transport ist sehr wichtig, damit die Nervenzelle einen elektrischen Nervenimpuls senden kann.

Somatische Zellen (Körperzellen) vollziehen die Zellteilung auf dieselbe Art und Weise. Diesen Zellteilungsprozess nennt man Mitose, die in der M-Phase (Mitose-Phase) eines Zellzyklus stattfindet. Die Zelle trennt ihre Chromosomenpaare und das Zytoplasma auf und teilt sich in zwei identische Tochterzellen. Außer den Geschlechtszellen (Gameten) werden alle anderen Körperzellen durch Mitose gebildet. Die Gameten werden in einem Prozess gebildet, den man Meiose nennt.

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Einzelnachweise