Die Zelle – Aufbau, Funktion und Metabolismus

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Eine Zelle (lateinisch Cellula = kleine Kammer, Zelle) ist die elementare Einheit aller Lebewesen.

In ihr laufen die fundamentalen Stoffwechselvorgänge ab, ohne die der Mensch nicht existieren kann. In diesem Kapitel erfahren Sie, welche kleinen Organe, sogenannte Organellen in der Zelle vorkommen und deren Funktion.

Zytoplasma und Organellen der Zelle

Zytoplasma

Das Zytoplasma füllt die Zelle wie eine „Suppe“. Das Zytoplasma besteht aus Wasser, Salzen, Eiweiß, Fetttröpfchen, Zucker … Hier findet auch die sogenannte Glycolyse statt.

Die Körperzelle mit ihren wichtigsten Organellen im Überblick.
Die Körperzelle mit ihren wichtigsten Organellen im Überblick.

Organellen

Organellen sind die Funktionseinheiten einer Zelle (siehe Abb.1). Hier eine Liste mit ihren wichtigsten Funktionen.

  1. Zellkern – Lateinisch = Nukleus mit Erbinformation (Baupläne) gespeichert in langen chemischen Molekülen = DNS/DNA
  2. Mitochondrien – sind die „Kraftwerke der Zelle“. Energiegewinnung aus Zucker mithilfe des Zitronensäurezyklus unter O2-Verbrauch.
  3. Endoplasmatisches Retikulum – das endoplasmatische Retikulum (= ER) sorgt für den Membranaufbau und Stofftransport innerhalb der Zelle (intrazellulär), Stoffspeicher (z. B. Ca++ in der Muskelzelle).
  4. Ribosomen – sind die „Eiweißfabriken“ unserer Zellen. Hier werden Eiweißketten nach Bauplan (= DNA aus dem Zellkern) zusammengesetzt.
  5. Golgi-Apparat – ist die „Verpackungsfabrik“; Sekrete werden hier in kl. Bläschen (=Vesikel) verpackt und zum Plasmalemm gebracht. Dort wird der Inhalt der Bläschen abgegeben (=Exozytose).
  6. Lysosomen – mit Eiweiß abbauenden Enzymen. Enzym = Eiweiß, das eine biochemische Reaktion in Gang setzt, vergleichbar mit einem „Lötkolben“ oder „Schneidbrenner“. Die Lysosomen verschmelzen mit den ankommenden Nahrungsvakuolen und die Enzyme der Lysosomen bauen die „Nahrung“ ab. Die Nahrungsvakuolen werden durch Endozytose gebildet.

Zytoskelett

Das Zytoskelett besitzt Mikrofilamente aus Eiweißfäden, die sich aneinander entlang hangeln können. Dies bewirkt eine Formveränderung der Zelle, evtl. Bewegung.

Mikrotubuli

Mikrotubuli nennen sich Eiweißröhren (siehe auch Mikrofilamente) z. B. in Cilien = Geißeln = Flimmerhärchen, mit deren Hilfe sich z. B. Einzeller wie das Pantoffeltierchen fortbewegen.

Mikrovilli

Als Mikrovilli werden fingerförmige Membranausstülpungen bezeichnet z. B. zur Oberflächenvergrößerung im Darm.

Stoffaustausch zwischen Extrazellulärraum und Intrazellulärraum

Abb. 2: Ansicht einer Zellmembran mit einem Kanal- (Poren) Protein hydrophil = wasserfreundlich, hydrophob = wasserfeindlich

Diffusion

Diffusion bezeichnet den Stoffaustausch längs eines Konzentrationsgefälles (Prinzip der größtmöglichen Unordnung).

Biologische Membranen (siehe Abb.2) sind nur für bestimmte Stoffe durchlässig (=semipermeabel), z. B. kleine, ungeladene Teilchen wie O2, CO2, H2O aber auch fettähnliche Stoffe. Viele andere Stoffe gehen durch stoffspezifische Porenproteine, da die Membran sonst für sie undurchlässig ist, z. B. geladene Teilchen (=Ionen) wie Na+, Cl usw. wie in der Nervenzelle (siehe Abb.3).

Aber auch große Moleküle, z. B. Zucker (Glucose), Insulin (= Schlüssel für Zucker-Porenproteine). Bei Insulinmangel kann der Zucker nicht in die Zellen, er bleibt im Blut -> Diabetes mellitus.

Osmose

Osmose bezeichnet die Diffusion von H2O zum Ausgleich von Konzentrationen, z. B. rotes Blutkörperchen  „Ery“ in konzentrierter Salzlösung.

Plasmolyse

Durch das Bestreben des Wassers, den Salzgehalt im roten Blutkörperchen (Ery) dem der Salzlösung anzugleichen, schrumpft das dieses immer mehr zusammen (siehe Abb.4).

Beispiel: Hypernaträmie

Hämolyse

Jetzt verhält es sich genau entgegengesetzt: Durch das Bestreben des Wassers, den Salzgehalt im roten Blutkörperchen (Ery) dem des destillierten Wassers anzugleichen, quillt dieses immer mehr auf (siehe Abb.5). Dies kann so weit gehen, dass das „Ery“ platzt.

Beispiel: Steigerung des Zellvolumens bei Hyponaträmie.

Abb. 5: Hier versucht das Wasser, die höhere Konzentration im Ery auszugleichen.

Alle Flüssigkeiten mit gleicher Konzentration wie das Zellplasma sind isoton z. B. 0,9-prozentige NaCl-Lösung.

  • Alle Flüssigkeiten mit höherer Konzentration sind hyperton.
  • Alle Flüssigkeiten mit niedrigerer Konzentration sind hypoton.

Aktiver Transport nennt sich der Stoffaustausch gegen das Konzentrationsgefälle unter Energieverbrauch. Z. B. Na+ – K+ – Pumpe in der Membran von Nervenzellen. Sie pumpt nach der Erregung Na+ wieder aus der Zelle -> Herstellung der Ursprungsordnung. Z. B. Jodpumpe in Schilddrüsenzellen.

Exozytose

Golgivesikel wandern zum Plasmalemm, verschmelzen mit diesem und geben ihren Inhalt nach außen ab; z. B. Drüsen, Erregungsweitergabe an den Synapsen von Nervenzelle zu Nervenzelle.

Endozytose

Umfließen von „Nahrung“ und Aufnahme in eine Vesikel. Ein Beispiel dafür ist die Phagozytose (siehe Abb.6).

Abb. 6: Phagozytose: Ein weißes Blutkörperchen (Leukozyt) frisst eine Bakterie.

Metabolismus der Zelle

  • Metabolismus – Energiestoffwechsel. Dient der Aufnahme, dem Transport und der chemischen Umwandlung von Nährstoffen sowie der Abgabe von Stoffwechselendprodukten in einem Organismus.
  • Anabolismus – auch Assimilation genannt, bezeichnet das Wachstum, den Aufbau und die Speicherung körpereigener Bestandteile.
  • Katabolismus – auch Dissimilation genannt, bezeichnet die Baustoffgewinnung und die Energiegewinnung eines Organismus.

Der Kohlenhydratabbau

Abb.7 Kohlenhydratketten (links) werden zu Glucose (rechts) zerkleinert.

Glycolyse

Glycolyse beschreibt den Vorgang der anaeroben Energiegewinnung aus Glucose im Zytoplasma.

  • Im Zytoplasma der (Muskel) Zellen findet permanent die sogenannte Glykolyse statt.
  • Dort wird die Glucose (Blutzucker) zur Energiegewinnung in 10 Schritten verstoffwechselt.
  • Die dabei freiwerdende Energie ist gering.

Endprodukte der Glycolyse sind pro Glukosemolekül:

  • 2 Pyruvatmoleküle
  • 2 ATP-Moleküle
  • 4 Wasserstoffatome

In Ruhe bzw. bei geringer Belastung wird praktisch das gesamte entstandene Pyruvat in den Zitronensäurezyklus zur aeroben Energiegewinnung eingeschleust. Bei hoher Belastung kann das dann vermehrt anfallende Pyruvat jedoch nicht mehr vollständig über den Zitronensäurezyklus verarbeitet werden. Dieser Pyruvatüberschuss wird innerhalb der (Muskel) Zelle in Laktat umgewandelt.

Zitronensäurezyklus (Zitratzyklus)

Zitronensäurezyklus (Zitratzyklus) beschreibt den Vorgang der aeroben Energiegewinnung aus Glucose in den Mitochondrien.

Das aus der Glycolyse entstandene

  • Pyruvat gibt innerhalb des Mitochondriums 2 Wasserstoffatome ab und zerfällt dabei zu:
  • Acetyl-Coenzym A (Ac-CoA) siehe Abb.8a und Abb.13
  • Das Ac-CoA geht in den Zitronensäurezyklus ein und wird dort immer weiter verbrannt (oxidiert).
  • Innerhalb des Zitronensäurezyklus entsteht nur 1 ATP, jedoch 8 Wasserstoffatome, natürlich nicht in gasförmiger Form. Dieser würde sofort durch Diffusion die Zelle verlassen. Der Wasserstoff in der Zelle wird mit Hilfe von Coenzymen gespeichert. Das ist chemisch gebundener Wasserstoff (z. B. in Form von NADH/H+oder FADH2).
  • Alle bis dahin gewonnenen Wasserstoffatome werden von den Coenzymen abgegeben und unter Sauerstoff mit großem Energiegewinn in mehreren Teilschritten zu H2O verbrannt:
    NADH/H+ + 1/2 O2 => H2O + NAD+ + Energie
  • Die dabei freiwerdende Energie wird in das Energietransportmolekül ATP verpackt, um portionsweise an die Stellen des Energieverbrauches gebracht zu werden (z. B. Membran, Golgi-Apparat, Ribosom, Zytoskelett). Pro Glucose-Molekül werden im Optimalfall bis zu 38 ADP zu ATP beladen.

Abb. 8: Der Zitronensäurezyklus (siehe auch Abb. 13)

Der Fettabbau (Lipolyse)

Fett wird zu Monoglycerid und Fettsäuren zerkleinert.

Abb. 9: Fett wird zu Monoglycerid und Fettsäuren zerkleinert.

Die oben genannten Bruchstücke werden ins Blut bzw. in die Lymphe aufgenommen (=Resorption) und zu den Zellen transportiert. In der Zelle findet weiterer Abbau statt.

Aerobe Energiegewinnung aus Fett

Körperfett kann ebenfalls in Acetyl-CoA umgewandelt und in den Zitronensäurezyklus eingeschleust werden, allerdings ist die chemische Reaktion sehr langsam, sodass diese Form der Energiebereitstellung mit wachsender Belastung einen abnehmenden relativen Anteil der bereitgestellten Energie liefert. Ein Rechenbeispiel der Verteilung von Kohlenhydraten und Fett bei steigender körperlicher Belastung finden Sie unter dem Beitrag Mythos Fettverbrennung.

Anaerobe Energiegewinnung aus Fett

Fett kann bei Sauerstoffmangel ebenfalls zu Energiegewinnung herangezogen werden. Bei der dabei freiwerdenden Energie entstehen CO2 und H2O sowie Ketokörper (Abb.10).

Abb. 10: anaerobe Energiegewinnung aus Fett.

 Der Eiweißabbau

Eiweißketten werden zu Aminosäuren zerkleinert.

Abb. 11: Eiweißketten werden zu Aminosäuren zerkleinert.

Anaerobe Energiegewinnung aus Eiweiß

Eiweiß kann unter Ausschluss von Sauerstoff abgebaut werden, um Energie zu gewinnen (Abb.12). Bei der dabei freiwerdenden Energie entstehen Glucose und Harnstoff.

  • Die freiwerdende Energie wird verwendet um ATP generieren.
  • Der entstandene Harnstoff wird über die Nieren ausgeschieden.
  • Die entstandene Glucose geht in den Kohlenhydratstoffwechsel (Glycolyse bzw. Zitronensäurezyklus) ein.
Abb. 12: Anaerobe Energiegewinnung aus Eiweiß.

Anabolismus = Stoffaufbau (Assimilation)

Kohlenhydrat-Aufbau

Glucose wird zu Zuckerketten (Membranbausteine) aufgebaut, oder auch als Glycogen (Energiespeicher) in der Leber gespeichert. Siehe auch unter: Kohlenhydrate

Fett-Aufbau

Fett wird u.a. als Membranbaustein genutzt und eignet sich auch hervorragend als Energiespeicher. Dazu wird das Fett in Depots unter der Haut gespeichert. Siehe auch unter: Fette und Öle

Eiweiß-Aufbau

Geschieht an den Ribosomen: Zusammensetzung der AS-Ketten nach Bauplan (DNA) aus dem Zellkern (= Proteinbiosynthese). Eiweiß ist ein Baustein für Mikrofilamente (Muskel), Membrane und Enzymaufbau.

Schematische Zusammenfassung der Energiegewinnung in der (Muskel) Zelle

Schema der Energiegewinnung in der Zelle.

Dieser Beitrag wurde zuletzt  am 04.01.2017 überarbeitet.

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Comments(3)

  • Marion Krause
    22. April 2016, 17:49  Antworten

    Hallo Bernd,
    zur Zeit befinde ich mich in der Ausbildung zur Kranken – und Altenpflegehelferin. Dein Beitrag gefällt mir sehr gut und ist für jedermann verständlich erklärt. Ich bin begeistert. Mach weiter so!
    Lieben Gruß Marion

  • Eva Hess
    3. Februar 2016, 13:22  Antworten

    Hallo 🙂 ich finde deinen Blog richtig klasse!
    Ich bin im 1. Semester der Physiotherapie ausbildung und schreibe morgen eine wichtige Physiologie klausur, da unsere Dozentin leider nicht so strukturiert im Unterricht vorgeht fällt mir das Fach nicht ganz leicht jetzt hoffe ich mit deinem Beittrag trotzdem etwas zu verstehen ! 🙂

    Liebe grüße

    EH.

    • 3. Februar 2016, 14:23

      Hallo Eva! Freut mich, das dir der Beitrag hilft 🙂 . Drücke dir die Daumen für deine Klausur!

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