CYTOLOGIE

Zellorganelle unter dem Elektronenmikroskop

Eine "eukaryotische" Zelle ist eine Zelle mit Zellkern;
"prokaryotische" Zellen (Bakterien) besitzen keinen abgegrenzten Zellkern.

Elementarmembranen
Bild: Blockmodell einer Elementarmembran mit Tunnelprotein.

Das Wort Membran bedeutet soviel wie Häutchen, eine zwei Bereiche abtrennende, dünne Schicht. Eine biologische Membran ist jedoch keine einfache Trennschicht - das wäre eine Lamelle -, sondern sie ist eine geschlossene Struktur ohne Anfang und Ende. Während man eine Lamelle mit einem Blatt Papier vergleichen kann, entspricht eine Membran eher einem Luftballon, der verschieden stark aufgeblasen sein kann, aber keinen Rand aufweist.

Bild: Elektronenmikr. Bilder von Elementarmembranen.
Solche Biomembranen grenzen das Plasma gegen außen und gegen die Vakuolen ab, bilden die Wände von Organellen, trennen Reaktionsräume voneinander und regeln den Stoffaustausch zwischen den einzelnen Plasmabezirken. Trotz der vielfältigen Aufgaben sind Biomembranen im Prinzip alle gleichartig aufgebaut und werden als grundlegendes Bauelement des Zellplasmas angesehen (Elementarmembranen). Sie sind 7 bis 10 mm dick und erscheinen im Elektronenmikroskop dreischichtig. Chemische Analysen ergeben, dass in den Biomembranen vor allem Lipide (Fette) und Proteine (Eiweiße) vorkommen. In einer mehr oder weniger lipidhältigen Doppelschicht sind die Proteinmoleküle wie Eisberge im Wasser frei beweglich. Der Vielfalt der Membranaufgaben entspricht eine Vielfalt von unterschiedlichen Eiweißverbindungen, die den Stoffdurchtritt durch die Membran regeln.

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Das endoplasmatische Retikulum ist ein Netz von Membranen, das das ganze Zytoplasma durchzieht und ständig umgebaut und umgeordnet wird.

Bild: Endoplasmatisches Retikulum mit kleinen punktfÖrmigen Ribosomen

Das Hohlraumsystem ist durch Kanäle nach außen geöffnet und stellt auf diese Weise eine Verbindung zur Umgebung der Zelle bzw. zu Nachbarzellen her. Nach innen bildet es um den Kernraum eine doppelwandige, von Poren durchsetzte Kernhülle, über die der Stoffaustausch zwischen Kein und Zytoplasma stattfindet. Das ER wird als Transportsystem innerhalb der Zelle betrachtet. An die ER-Membranflächen gebunden findet man Enzyme. So ist das ER auch Ort zahlreicher Stoffumwandlungen (z. B. Abbau von körperfremden Stoffen, wie Medikamenten, Herbiziden)

Ribosomen

Bild: Endoplasmatisches Retikulum (elektronenmikr. Aufnahme) mit deutlich sichtbaren Ribosomen Ribosomen.

Die Ribosomen sind kugelförmige Partikel mit einem Durchmesser von 15 bis 25 pm. Sie liegen frei im Zytoplasma oder kettenförmig aneinandergereiht an den Wänden des ER. Ribosomen bestehen aus Ribonukleinsäuren und Proteinen und sind die Orte der Eiweißbildung (Proteinsynthese) in der Zelle. Hier werden die Eiweißbausteine (Aminosäuren) nach Anleitung der Steuerungszentrale, also des Zellkerns, zu langen Ketten verbunden.

Mitochondrien

Mitochondrien sind langgestreckte Zellorganellen, die bis zu 10 nm lang werden.

Bild: Mitochondrien (Cristae und Tubulus

Jedes Mitochondrium ist von einer Doppelmembran begrenzt. Die innere Membran erfährt durch Einstülpungen in den plasmatischen Innenraum (Mitochondrienmatrix) eine starke Oberflächenvergrößerung.

Die Mitochondrien werden als Kraftwerke der Zelle bezeichnet: Die Energie, die jede Zelle zur Aufrechterhaltung ihres Stoffwechsels benötigt, kommt aus der Zellatmung. Dabei werden unter Sauerstoffverbrauch energiereiche Kohlenstoffverbindungen (Traubenzucker) abgebaut. Die freiwerdende Energie wird in der energiereichen Verbindung Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert. Diese Vorgänge werden durch Enzyme (Biokatalysatoren) gesteuert, die an die innere Mitochondrienmembran gebunden sind.

Bild: Mitochondrie (elektronenmikroskopische Aufnahme).

Traubenzucker + Sauerstoff  ----Fermente ---› Kohlendioxid + Wasser + Energie

C₆H₁₂O₆ + 60₂ -->
6 C0₂ + 6 H₂0 + 2.875 kJ
Die Zahl der Mitochondrien hängt von der Funktion der Zelle ab (1 bis einige 100.000). Aber auch ihre Form, Größe, die Organisation der Einstülpungen und die Dichte der Matrix variieren in vielfältiger Weise. Mitochondrien vermehren sich durch Teilung und enthalten in ihrer Matrix neben Proteinen, Lipiden und Ribosomen auch eigene DNS.

Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat (Entdecker Camillo Golgi) ist aus mehreren Stapeln von Membranzisternen aufgebaut. Ein einzelner Membranstapel wird als Dictyosom bezeichnet. Die Gesamtheit aller Dictyosomen einer Zelle bildet den Golgi-Apparat. An den aufgeblähten Rändern der Membranzisternen werden kleine Bläschen, die Golgi-Vesikel, abgeschnürt.

Die wesentlichen Aufgaben der Dictyosomen sind Synthese, Anreicherung und Transport von Sekretstoffen (Schleimstoffen, ätherischen Ölen, Verdauungssekreten). Außerdem sind sie an der Bildung von Polysacchariden (Vielfachzucker) für den Aufbau von Zellwänden beteiligt.

Plastiden

Plastiden sind typische Organellen der Pflanzenzellen. Zu ihnen gehÖren die bereits genannten Chloroplasten. Daneben aber auch noch andere, wie die farbigen Chromoplasten und die farblosen Leukoplasten, sowie Übergangsstadien (Proplastiden). Jene wiederum sind rudimentÄre (zurÜckgebildete) Formen, die z.B. bei der Eizellbildung durch Degeneration von Plastiden entstehen. WÄhrend der pflanzlichen Embryonalentwicklung kÖnnen sie sich wieder zu vollstÄndigen Plastiden differenzieren. Eine ErgrÜnung, und damit die Umwandlung in Chloroplasten, erfolgt bei den meisten hÖheren Pflanzen jedoch nur nach Belichtung.

Chloroplasten

Bild: Schematische Darstellung des Feinbaus eines Chloroplasten.

Chloroplasten sind Farbstoffträger der Pflanzenzelle. Sie entwickeln sich aus farblosen Vorstufen (Proplastiden) und vermehren sich später durch Teilung. Im Lichtmikroskop sind sie als linsenförmige, grüne Chlorophyllkörner sichtbar. Ihre Feinstruktur ist im Elektronenmikroskop erkennbar: Sie sind von einer Doppelmembran begrenzt. Die innere Membran bildet zahlreiche Einstülpungen. Diese in die Grundsubstanz (Stroma, Matrix) des Chloroplasten reichenden flachen Membranzisternen heißen Thylakoide. An verschiedenen Stellen falten sie sich und sind oft zu Stapeln übereinandergelagert, so dass ein vielschichtiges Hohlraumsystem entsteht. Die geldrollenartig dicht gestapelten Thylakoidbereiche werden als Grana bezeichnet. An die Thylakoidmembranen ist das Chlorophyll gebunden, das Licht bestimmter Wellenlänge absorbiert. Mit Hilfe der Lichtenergie läuft die Photosynthese ab. Dabei werden organische Stoffe aus anorganischen aufgebaut, und es entsteht freier Sauerstoff. Die organischen Stoffe können als Stärke im Stroma gelagert werden (Assimilationsstärke). Auch isolierte Chloroplasten erzeugen bei Belichtung organische Stoffe und Sauerstoff, sind also auch außerhalb der Zelle photosynthetisch aktiv. Demnach enthalten sie alle für die Photosynthese benötigten Enzyme.

Vakuole, Zellsaft und Stofftransport

Vakuolen sind unterschiedlich große Kompartimente der Pflanzenzellen. Sie enthalten den Zellsaft und sind gegen das Zytoplasma durch eine feine Membran, den Tonoplasten, abgegrenzt. Zwischen Plasma und Zellwand erfolgt die Abgrenzung durch eine andere Membran, das Plasmalemma. Beide Membranen sind bei der Wasseraufnahme in die Vakuole und damit für die Aufrechterhaltung der Zellspannung von großer Bedeutung.

Stofftransport - Diffusion, Osmose

Unterschichtet man in einem Messzylinder Wasser mit konzentrierter Kaliumpermanganatlösung und lässt den Zylinder ruhig stehen, so breitet sich die Farbzone immer weiter aus, bis sich Wasser und Kaliumpermanganat zu einer gleichmäßig gefärbten, d. h. gleichmäßig konzentrierten Lösung vermischt haben . Die Vermischung tritt infolge der Eigenbewegung der Teilchen (Brownsche Molekularbewegung) ein und wird als Diffusion bezeichnet. Sie erfolgt, wenn zwischen zwei mischbaren Stoffen ein Konzentrationsunterschied (Konzentrationsgefälle) besteht, und sie hört auf, wenn der Unterschied ausgeglichen ist.

Diffusion erfolgt auch durch Grenzschichten hindurch, wenn diese für die betreffenden Teilchen durchlässig (permeabel) sind. So können z. B. Wasser und gelöste Zuckerteilchen die Zellulosewände pflanzlicher Zellen relativ ungehindert passieren.

Anders liegen die Verhältnisse bei Grenzschichten, die durchlässig sind für Wasser, nicht aber für die gelösten Teilchen, also bei halbdurchlässigen oder selektiv permeablen Membranen. Sind zwei verschieden konzentrierte wässrige Lösungen durch eine semipermeable Membran getrennt, so wandern Wassermoleküle bevorzugt zur Seite der höheren Konzentration.

Ein solcher einseitig (entgegen dem Konzentrationsgefälle) gerichteter Diffusionsvorgang wird als Osmose bezeichnet. Es kommt also zu einem Wassereinstrom in die Lösung, die konzentriertere Lösung saugt Wasser an. Die Größe dieser Saugkraft (osmotischer Druck) ist am Steigrohr ablesbar.

Dieser Vorgang findet auch in lebenden Zellen statt und ist verantwortlich für die Aufnahme und den Transport von Wasser. Kommt eine Pflanzenzelle mit einer Lösung in Berührung, deren Konzentration geringer ist als die des Zellsaftes, dringt Wasser in die Vakuole ein. Dadurch erhöht sich der Spannungszustand bzw. der Innendruck der Zellen (Turgor). Der Turgor ist für die Festigkeit pflanzlicher Gewebe von großer Bedeutung. Nimmt der Turgor ab (Wassermangel), so erschlaffen die Gewebe (Welken krautiger Pflanzen).

Legt man pflanzliche Zellen in eine Lösung, deren Konzentration höher ist als die des Zell­saftes, so wird der Vakuole Wasser entzogen. Die Zelle verliert an Spannung, das Plasma löst sich von der Zellwand ab. Diese Erscheinung heißt Plasmolyse. Bringt man plasmolysierte Zellen wieder in Wasser, wird der Vorgang rückgängig gemacht.

Zellkern (Nukleus)

Bild: Zellkern (elektronenmikroskopische Aufnahme) der Sonnenblume.

Der meist kugelige Zellkern ist das größte Organell der Zelle. Die begrenzende Kernhülle, ein flacher, membranumgrenzter Hohlraum, ist von zahlreichen Kernporen unterbrochen.Durch diese Poren können Makromoleküle zwischen dem Zytoplasma und dem Inneren des Zellkerns, dem Kernplasma (Karyoplasma), ausgetauscht werden. Das Kernplasma enthält Proteine und die Kernsäuren RNS (Ribonukleinsäure) und DNS (Desoxyribonukleinsäure). Der Zellkern steuert mit Hilfe dieser Verbindungen alle Lebensvorgänge innerhalb der Zelle (Stoffwechsel, Vererbung).

Die DNS-Bereiche lassen sich färben und sind dann bereits lichtoptisch als zartes, netzartiges Fadengerüst, das Chromatin (chroma [griech.: = Farbe), erkennbar. Wenn sich eine Zelle und damit auch der Zellkern zu teilen beginnt, entstehen aus dem Fadengeflecht die Chromosomen. Sie sind die stark verkürzte Transportform des Chromatins. Ihre Form und Anzahl pro Zellkern sind für jede Art charakteristisch. jeweils zwei Chromosomen stimmen in Form und Größe überein (homologe Chromosomen) und bilden ein Paar. Körperzellen besitzen also einen zweifachen (diploiden) Chromosomensatz (2 n).

Quelle: Mandl: "Organismus und Umwelt", ÖBV pädagogischer Verlag
Bilder von Ehlers/Noll: "Zellbiologie", Westermann, Wien
Bearbeitet von Rudolf Öller

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