Zellteile und ihre Funktion

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Woraus besteht die Zellstruktur?

Jede Zelle ist von einer Membran umgeben und enthält Zellbestandteile, die man Organellen nennt. Jede Organelle hat eine bestimmte Funktion. Einige Zellbestandteile sind daran beteiligt, Energie aus den Nährstoffen der Nahrung, die du zu dir nimmst, zu gewinnen und so umzuwandeln, dass deine Körperzellen sie nutzen können. Andere Zellteile dienen dazu, die genetische Information zu speichern, welche deinen Bauplan enthalten, der dich von anderen Tieren wie Gorillas oder Kolibris unterscheidet. Es gibt auch Zellbestandteile, die für die Bildung von Proteinen verantwortlich sind. Proteine ermöglichen es der Zelle, ihre zahlreichen Aufgaben zu erledigen.

Die Zellmembran

Jede Zelle hat eine dünne Außenschicht – die Zellmembran. Sie umgibt das Innere der Zelle und trennt sie von anderen Zellen und der Umgebung ab. Die Zellmembran bestimmt ebenfalls, welche Stoffe in eine Zelle hinein- und welche herausgelassen werden. So lässt die Zellmembran beispielsweise Nährstoffe und Sauerstoff aus der Umgebung in die Zelle herein, während sie Kohlenstoffdioxid und andere Abfälle aus dem Inneren der Zelle hinausbefördert.

Die Zellmembran besteht aus Molekülen, den Proteinen und Lipiden, die in einem bestimmten System angeordnet sind. Du kannst dir die Zellmembran als zwei Schichten oder Lagen von Lipidmolekülen vorstellen, in denen verschiedenartige Proteine stecken. Die Lipide bilden die Doppelschicht der Membran und sind auf eine spezielle Art und Weise angeordnet. Jedes Lipidmolekül hat ein Kopf- und ein Schwanzteil.

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Der Kopfteil des Lipidmoleküls ist wasseranziehend, während der Schwanzteil wasserabweisend ist. In einer wässrigen Umgebung neigen die Lipidschwänze dazu, sich - vom Wasser abgestoßen - zusammenzuschließen. Da die Kopfteile des Lipids wasseranziehend sind, positionieren sie sich so, dass sie dem wässrigen Milieu zugewandt sind. In der Zellmembran sind die Moleküle der Lipidschicht genau gleich aneinandergereiht. Die beiden Lagen sind so angeordnet, dass die Schwanzteile der Lipide zueinander zeigen.

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Aufgabe

Zeichnung einer Zellmembran

Zeichne dein eigenes Bild oder baue ein Modell, in dem du die Anordnung der Lipide in einer Zellmembran darstellst.



Denke an eine Gruppe von Jugendlichen, die alle in ihren Schlafsäcken liegen und in einem rechteckigen Zelt schlafen. Sie wollen sich alle so hinlegen, dass niemand die Füße des anderen im Gesicht hat. Eine Möglichkeit wäre, dass sich alle mit ihren Schlafsäcken so hinlegen, dass die Füße zueinander zeigen, wie es in Abb. 1.10 dargestellt ist. Diese Anordnung ist ähnlich wie die der Lipide der Doppelschicht einer Zellmembran.

Die Anordnung der Lipid-Doppelschicht bewirkt, dass Wasser und Moleküle, die im Wasser gelöst sind, zwar bis zur Zellmembran kommen können, aber nicht ohne Weiteres durchgelassen werden. Wegen der Lipid-Doppelschicht können Wassermoleküle nur durch Proteinkanäle, die in der Membran verankert sind, auf die andere Seite der Membran. Andere Moleküle, die im Wasser gelöst sind, können ebenfalls nur durch diese Proteinkanäle in die Zelle hinein oder aus der Zelle heraus. Die Zell-Doppelmembran hilft dabei, das Milieu innerhalb der Zelle zu kontrollieren. Die Proteine der Zellmembran entscheiden hierbei, welche Stoffe in die Zelle hinein oder aus der Zelle heraus dürfen.

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Aufgabe

Wusstest du schon?

1 nm (Nanometer) = 0,000000001 m
Beispiele: Kleine Viren sind 10 nm groß. Die ungefähre Größe eines Atoms beträgt 0,1 nm.

1 µm (Mikrometer) = 0,000001 m
Beispiele: Die Dicke eines Blattes Papier beträgt um 80 µm. Feinstaub ist 10 µm und kleiner.

1 mm (Millimeter) = 0,001 m
Beispiele: Der Körper einer roten Ameise ist rund 5 mm lang. Die Euro-Münzen sind zwischen 1,67 bis 2,2 mm dick.

1 cm (Zentimeter) = 0,01 m
Beispiele: Die Wellenlänge im Mikrowellenherd beträgt 12,25 cm (bei 2,45 GHz). Die in der Architektur angenommene durchschnittliche Schrittlänge eines Menschen beträgt 63 cm.



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Zytoplasma und Organellen

Das Zytoplasma und die spezialisierten Bestandteile einer Zelle, die Organellen, liegen innerhalb der Zelle. Das Zytoplasma ist eine wässrige Flüssigkeit, welche Wasser und andere chemische Substanzen enthält. Einige dieser chemischen Substanzen findet man innerhalb des Zytoplasmas, während sich andere Substanzen in der Nähe der Membran, am Rande des Zytoplasmas, befinden. Da Zytoplasma flüssig ist, kann die Zelle ihre Form ändern, vergleichbar mit einem wassergefüllten Sack, der ebenso seine Form verändern kann.

Solche Zellteile, die eine besondere Funktion haben, nennt man Organellen. Zu den Organellen gehören beispielsweise der Zellkern und die Mitochondrien. Der Zellkern enthält das genetische Material, während die Mitochondrien Energie umwandeln. Abb. 1.12 zeigt die wichtigsten Organellen einer typischen Tierzelle.

Jede dieser Organellen spielt eine bestimmte Rolle in einer Zelle. Der Zellkern übernimmt die Rolle des Kontrollzentrums.

Aufgabe

Was ist die Funktion der einzelnen Zellbestandteile?

Unterschiedliche Zellteile haben unterschiedliche Aufgaben. Die Zelle wandelt etwa chemische Energie in Wärme um oder produziert mehr Zellen. Bitte notiere dir, während du diesen Text liest, die wichtigsten Funktionen jedes Zellbestandteils oder jeder Zellorganelle.



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Prokaryonten haben keine Organellen, also auch keinen Zellkern. Sie sind meistens Einzeller. Beispiele für Prokaryonten sind Bakterien.

Alle Lebewesen mit echtem Zellkern werden als Eukaryonten bezeichnet. Sie können sehr komplexe Organismen bilden. Beispiele für Eukaryonten sind Zellen von Pflanzen, Pilzen, Tieren und Menschen.

Der Zellkern

Der Zellkern ist die wichtigste Organelle einer Zelle. Er ist das Informationszentrum der Zelle und kümmert sich um Zellaktivitäten. Er enthält Informationen, die der Zelle sagen, was zu tun ist, was zu beschaffen ist, wann sie sich zu teilen hat. Ein Zellkern ist ein sehr kleiner, aber mächtiger Teil der Zelle.

Zellteile, die eine besondere Funktion haben, nennt man Organellen. Zu den Organellen gehören beispielsweise der Zellkern und die Mitochondrien. Der Zellkern enthält das genetische Material, während die Mitochondrien Energie umwandeln. Abb. 1.13 zeigt die wichtigsten Organellen einer typischen Tierzelle.

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Alle Zellen beinhalten genetisches Material, sogenannte Gene. Sie bestimmen, wie Zellen aussehen, was sie tun und wie sie funktionieren.In den Zellen höherer Organismen, zum Beispiel in denen des Menschen, befinden sich die genetischen Informationen im Zellkern. Der Zellkern ist von der Zellmembran umschlossen. Die Zellmembran kontrolliert, welche Stoffe durch sie hindurchgelassen werden.

Chromosomen

Wenn du dir eine deiner Zellen unter dem Mikroskop anschauen würdest, würdest du unter bestimmten Umständen Strukturen im Inneren des Zellkerns sehen, die Chromosomen heißen.

Es gibt 23 Chromosomenpaare im menschlichen Zellkern. 22 von diesen 23 Chromosomenpaaren sind nicht an der Bestimmung des Geschlechts beteiligt. Man nennt sie Autosomen. Das übrige Chromosomenpaar, das 23., wird auch als Geschlechts-Chromosompaar bezeichnet. Jedes Chromosom hat eine bestimmte Länge und einen kurzen und einen langen Arm. Abgesehen von Länge und Form ist auch das Bandmuster eines Chromosoms sehr charakteristisch. Die Chromosomen haben keine besondere Anordnung im Zellkern, aber im Labor werden sie von den Forschern in Paare eingeteilt, wie das Diagramm im Film weiter unten zeigt.

Jedes Chromosom besteht aus zwei Teilen - DNA (Desoxyribonukleinsäure) und Proteinen. Die DNA enthält das genetische Informationsmaterial, welches die Merkmale einer Person kodiert. Ein Chromosom besteht aus einem langen DNA-Molekül.



Mitochondrien

Zellen brauchen eine ständige Energiezufuhr. Mitochondrien haben die Aufgabe, Energie aus den Nahrungsmitteln, die du zu dir nimmst, so umzuwandeln, dass sie für die Zelle brauchbar wird. Mitochondrien sind relativ große Organellen und sehen in etwa so aus:

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Mitochondrien befinden sich im Zytoplasma der Zellen. In einer typischen Zelle liegt das Mitochondrium normalerweise ungeordnet irgendwo im Zytoplasma.

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Mitochondrien stellen das Molekül Adenosintriphosphat (ATP) aus anderen Molekülen her. Wenn die chemischen Verbindungen aus Nahrungsmolekülen - zum Beispiel Zucker - aufgebrochen werden, wird Energie in Form von ATP produziert. Die energiereiche Verbindung ATP kann in begrenztem Umfang gespeichert werden. Bei Bedarf wird sie sehr schnell nachproduziert.

ATP enthält die benötigte Energie, welche von der Zelle verwendet wird, um alle Produkte zu bilden und alle Aufgaben zu erfüllen. ATP ist wie Bargeld. Es kann verwendet werden, um Waren und Dienstleistungen zu ‚kaufen’. Zwar gibt es auch andere Energieformen in der Zelle, aber die Zelle muss jegliche Energie in ATP umwandeln, damit sie Dinge produzieren kann, die es der Zelle ermöglichen, ordentlich zu funktionieren.

Ribosomen

Proteine sind wichtige Moleküle, die von der Zelle produziert werden. Ribosomen sind Organellen, an denen Proteine hergestellt werden. Ribosomen bestehen selbst aus Proteinen. Die Ribosomen sind im Zytoplasma verteilt oder sitzen auf anderen Organellen, zum Beispiel dem Endoplasmatischen Retikulum.

Endoplasmatisches Retikulum

Das Endoplasmatische Retikulum besteht aus einer Reihe gefalteter Membranen und hat die Aufgabe, Stoffe innerhalb der Zelle zu transportieren. Alle Zellen besitzen ein Endoplasmatisches Retikulum (ER). Das ER ist ebenfalls dafür zuständig, verschiedenartige Membranen zu produzieren, wie z.B. die äußere Zellmembran, die mitochondriale Membran und die Zellkernmembran.

Es werden zwei Hauptarten von ER unterschieden: raues ER und glattes ER. Auf der Oberfläche des rauen ER sitzen Ribosomen und Proteine, wie z.B. solche Proteine, die wichtig für die Plasmamembran sind. Glattes ER hat keine solchen Ribosomen, aber es verändert Proteine, die von dem rauen ER zusammengesetzt wurden.

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Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat [sprich: Gol-dschi] besteht aus einer Reihe flacher Säckchen. Wenn du einen Golgi-Apparat mit Hilfe eines sehr stark vergrößernden Mikroskops anschaust, scheinen diese Säckchen aufeinandergestapelt zu sein. Der Boden des Stapels liegt in der Nähe des Zellkerns oder eines Teils des ER. Die Oberseite des Stapels liegt näher an der äußeren Zellmembran. Der Golgi-Apparat hilft dabei, die Proteine, die am ER zusammengesetzt wurden, zu sortieren. Die Proteine werden zum Golgi-Apparat transportiert, wo sie entweder gelagert oder chemisch modifiziert und zusammengebündelt werden, um innerhalb der Zelle oder aus der Zelle heraus transportiert zu werden.

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Zusammenfassung der Zellteile

Hier eine Zusammenfassung der wichtigsten Zellorganellen mit ihren Funktionen.

Die Zellmembran oder Plasmamembran bildet eine Barriere, die ein Zellmilieu innerhalb der Zelle schafft, welches sich von den Bedingungen außerhalb der Zelle unterscheidet. Die Membran ist eine lebenswichtige Grenze. Sie kontrolliert, was in die Zelle hinein- und aus der Zelle heraustransportiert wird.

Der Zellkern bildet das Kontrollzentrum der Zelle und beinhaltet die Chromosomen mit dem genetischen Material, der DNA. Der Zellkern kontrolliert alle zellulären Aufgaben.

Chromosomen sind große Moleküle, die im Zellkern liegen und aus DNA und Proteinen bestehen.

Mitochondrien sind Organellen, die die chemische Energie unserer Nahrung in das energiereiche ATP umwandeln, das in allen Zellen als "Energiewährung" eingesetzt wird.

An den Ribosomen findet die Proteinsynthese statt.

Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein kompliziertes Membransystem des Zyoplasmas. Das raue ER enthält Ribosomen auf seiner Membranoberfläche.

Der Golgi-Apparat besteht aus flachen Säckchen und hilft bei der Sortierung der Proteine, die von der rauen ER und den Ribosomen synthetisiert werden.

Refexion

Erkläre, wie jede der oben genannten Zellorganellen zu einem Gleichgewicht im Inneren der Zelle (Homöostase) beiträgt, sodass die Zelle einwandfrei funktionieren kann.



Aufgabe

Fragen zur Überprüfung
Worin besteht die wichtigste Aufgabe der Zellmembran? Beschreibe die drei strukturellen Merkmale einer Zellmembran.
Inwieweit hängt die Funktion von Mitochondrien, Zucker und ATP zusammen?

Einzelnachweise