Die Struktur & Funktion einer Zelle

Zellen stellen die kleinsten oder zumindest irreduzibelsten Objekte dar, die alle Eigenschaften aufweisen, die mit der magischen Aussicht namens "Leben" verbunden sind, wie z Stoffwechsel (Entnahme von Energie aus externen Quellen, um interne Prozesse anzutreiben) und Reproduktion. Insofern besetzen sie in der Biologie dieselbe Nische wie Atome in der Chemie: Sie lassen sich zwar in kleinere Stücke zerlegen, aber isoliert können diese Stücke nicht wirklich viel. Auf jeden Fall enthält der menschliche Körper viele davon – weit über 30 Billionen (das sind 30 Million Million).

Ein gängiger Refrain sowohl in den Naturwissenschaften als auch in der Ingenieurswelt ist "Form passt Funktion". Diese bedeutet im Wesentlichen, dass, wenn etwas eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen hat, es wahrscheinlich so aussieht, als ob es dazu in der Lage wäre Dieser Job; Umgekehrt, wenn etwas für die Erfüllung einer bestimmten Aufgabe oder Aufgaben geschaffen zu sein scheint, besteht eine gute Chance, dass dies genau das ist, was dieses Ding tut.

Die Organisation von Zellen und die von ihnen ausgeführten Prozesse sind eng miteinander verbunden, sogar untrennbar, und die Beherrschung der Grundlagen der Zellstruktur und -funktion sind sowohl lohnend als auch notwendig, um die Natur des Lebens vollständig zu verstehen Dinge.

Das Konzept der Materie – sowohl lebender als auch nicht-lebender – als aus einer großen Anzahl diskreter, ähnlicher Einheiten bestehend, existiert seit dieser Zeit von Demokrit, einem griechischen Gelehrten, dessen Leben das 5. und 4. Jahrhundert v. Da Zellen aber viel zu klein sind, um mit dem mit bloßem Auge, erst im 17. Jahrhundert, nach der Erfindung der ersten Mikroskope, konnte jeder tatsächlich visualisieren Sie.

Robert Hooke wird allgemein zugeschrieben, dass er 1665 den Begriff "Zelle" in einem biologischen Kontext geprägt hat, obwohl sich seine Arbeit in diesem Bereich auf Kork konzentrierte; Etwa 20 Jahre später entdeckte Anton van Leeuwenhoek Bakterien. Es sollte jedoch noch einige Jahrhunderte dauern, bis die spezifischen Teile einer Zelle und ihre Funktionen geklärt und vollständig beschrieben werden konnten. Im Jahr 1855 stellte der relativ obskure Wissenschaftler Rudolph Virchow richtigerweise die Theorie auf, dass lebende Zellen nur aus andere lebende Zellen, obwohl die ersten Beobachtungen der Chromosomenreplikation noch einige Jahrzehnte entfernt waren.

Prokaryoten, die die taxonomischen Domänen Bakterien und Archaea umfassen, existieren seit etwa dreieinhalb Milliarden Jahren, was etwa drei Viertel des Alters der Erde selbst entspricht. (Taxonomie ist die Wissenschaft, die sich mit der Klassifizierung von Lebewesen beschäftigt; Domain ist die höchste Kategorie innerhalb der Hierarchie.) Prokaryontische Organismen bestehen normalerweise nur aus einer einzigen Zelle.

Eukaryoten, die dritte Domäne, umfassen Tiere, Pflanzen und Pilze – kurz gesagt alles Lebendige, das man ohne Laborinstrumente tatsächlich sehen kann. Es wird angenommen, dass die Zellen dieser Organismen aus Prokaryonten als Ergebnis von Endosymbiose (aus dem Griechischen von „innen zusammenleben“). Vor fast 3 Milliarden Jahren verschlang eine Zelle ein aerobes (sauerstoffverbrauchendes) Bakterium, das den Zwecken beider Lebensformen diente weil das "verschluckte" Bakterium ein Mittel zur Energiegewinnung für die Wirtszelle war und gleichzeitig eine unterstützende Umgebung bot für die Endosymbiont.
Lesen Sie mehr über die Gemeinsamkeiten und Unterschiede von prokaryontischen und eukaryontischen Zellen.

Zellen variieren stark in Größe, Form und Verteilung ihres Inhalts, insbesondere im Reich der Eukaryoten. Diese Organismen sind viel größer und vielfältiger als Prokaryoten, und im Sinne von "form Fits-Funktion", auf die zuvor verwiesen wurde, sind diese Unterschiede sogar auf der Ebene einzelner Zellen offensichtlich.

Konsultieren Sie ein beliebiges Zelldiagramm, und egal zu welchem ​​Organismus die Zelle gehört, Sie können sicher sein, bestimmte Merkmale zu sehen. Dazu gehören a Plasma Membran, das den Zellinhalt umschließt; das Zytoplasma, das ein geleeartiges Medium ist, das den größten Teil des Zellinneren bildet; Desoxyribonukleinsäure (DNA), das genetische Material, das Zellen an die Tochterzellen weitergeben, die sich bilden, wenn sich eine Zelle während der Reproduktion in zwei Teile teilt; und Ribosomen, die Strukturen sind, die die Orte der Proteinsynthese sind.

Prokaryoten haben ebenso wie Pflanzen eine Zellwand außerhalb der Zellmembran. Bei Eukaryoten ist die DNA in einem Kern eingeschlossen, der eine eigene Plasmamembran besitzt, die derjenigen, die die Zelle selbst umgibt, sehr ähnlich ist.

Die Plasmamembran von Zellen besteht aus a Phospholipid Doppelschicht, dessen Organisation sich aus den elektrochemischen Eigenschaften seiner Bestandteile ergibt. Die Phospholipidmoleküle in jeder der beiden Schichten umfassen hydrophil "Köpfe", die wegen ihrer Ladung vom Wasser angezogen werden, und hydrophob "Schwänze", die nicht geladen sind und daher dazu neigen, vom Wasser weg zu zeigen. Die hydrophoben Abschnitte jeder Schicht liegen sich im Inneren der Doppelmembran gegenüber. Die hydrophile Seite der äußeren Schicht ist dem Äußeren der Zelle zugewandt, während die hydrophile Seite der inneren Schicht dem Zytoplasma zugewandt ist.

Entscheidend ist, dass die Plasmamembran halbdurchlässig, was bedeutet, dass er, ähnlich wie ein Türsteher in einem Nachtclub, bestimmten Molekülen Zutritt gewährt, während er anderen den Zutritt verweigert. Kleine Moleküle wie Glukose (der Zucker, der als ultimative Energiequelle für alle Zellen dient) und Kohlendioxid kann sich frei in und aus der Zelle bewegen und weicht dabei den senkrecht zur Membran ausgerichteten Phospholipidmolekülen aus ganze. Andere Substanzen werden von "Pumpen" aktiv durch die Membran transportiert, die von Adenosintriphosphat (ATP) angetrieben werden, einem Nukleotid, das als Energie-"Währung" aller Zellen dient.
Lesen Sie mehr über den Aufbau und die Funktion der Plasmamembran.

Der Zellkern fungiert als Gehirn eukaryontischer Zellen. Die Plasmamembran um den Kern wird als Kernhülle bezeichnet. Im Kern befinden sich Chromosomen, die "Stücke" von DNA sind; die Anzahl der Chromosomen variiert von Art zu Art (der Mensch hat 23 verschiedene Arten, aber insgesamt 46 – eine von jeder Art von der Mutter und eine vom Vater).

Wenn sich eine eukaryotische Zelle teilt, tut dies zuerst die DNA im Zellkern, nachdem alle Chromosomen repliziert wurden. Dieser Prozess, genannt Mitose, wird später ausführlich beschrieben.

Ribosomen finden sich im Zytoplasma sowohl von eukaryontischen als auch von prokaryontischen Zellen. In Eukaryoten sind sie entlang bestimmter Organellen (membrangebundene Strukturen, die spezifische Funktionen haben, wie es im größeren Maßstab Organe wie Leber und Niere im Körper tun). Ribosomen stellen Proteine ​​unter Verwendung von Anweisungen her, die im "Code" der DNA enthalten sind und durch Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) an die Ribosomen übertragen werden.

Nachdem mRNA im Zellkern unter Verwendung von DNA als Matrize synthetisiert wurde, verlässt sie den Zellkern und heftet sich an Ribosomen, die aus 20 verschiedenen Proteinen zusammengesetzt sind Aminosäuren. Der Prozess der mRNA-Herstellung wird als bezeichnet Transkription, während die Proteinsynthese selbst bekannt ist als Übersetzung.

Ohne eine gründliche Behandlung der Mitochondrien könnte keine Diskussion über die Zusammensetzung und Funktion eukaryontischer Zellen vollständig oder auch nur relevant sein. Diese Organellen sind in mindestens zweierlei Hinsicht bemerkenswert: Sie haben Wissenschaftlern geholfen, viel über die evolutionären Ursprünge von. zu erfahren Zellen im Allgemeinen, und sie sind fast ausschließlich für die Vielfalt des eukaryotischen Lebens verantwortlich, indem sie die Entwicklung von zellulären Atmung.

Alle Zellen verwenden den Sechs-Kohlenstoff-Zucker Glukose als Brennstoff. Sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten durchläuft Glucose eine Reihe von chemischen Reaktionen, die zusammenfassend Glykolyse, das eine kleine Menge ATP für den Bedarf der Zelle erzeugt. Bei fast allen Prokaryoten ist dies das Ende der Stoffwechsellinie. Bei Eukaryoten, die Sauerstoff verwerten können, gelangen die Produkte der Glykolyse jedoch in die Mitochondrien und gehen dort weitere Reaktionen ein.

Die erste davon ist die Krebs Zyklus, das eine kleine Menge ATP erzeugt, aber hauptsächlich dazu dient, Zwischenmoleküle für das große Finale der Zellatmung zu lagern, das Elektronentransportkette. Der Krebs-Zyklus findet im Matrix der Mitochondrien (die Organellenversion eines privaten Zytoplasmas), während die Elektronentransportkette, das den überwiegenden Teil des ATP in Eukaryoten produziert, über die inneren Mitochondrien austritt Membran.

Eukaryontische Zellen verfügen über eine Reihe spezialisierter Elemente, die den umfangreichen, miteinander verbundenen Stoffwechselbedarf dieser komplexen Zellen unterstreichen. Diese schließen ein:

• Endoplasmatisches Retikulum: Diese Organelle ist ein Netzwerk von Tubuli, das aus einer Plasmamembran besteht, die mit der Kernhülle durchgehend ist. Seine Aufgabe besteht darin, neu hergestellte Proteine ​​zu modifizieren, um sie auf ihre nachgelagerten zellulären Funktionen als Enzyme, Strukturelemente usw. vorzubereiten und sie so auf die spezifischen Bedürfnisse der Zelle zuzuschneiden. Es produziert auch Kohlenhydrate, Lipide (Fette) und Hormone. Das endoplasmatische Retikulum erscheint im Mikroskop entweder glatt oder rau, Formen, die mit SER bzw. RER abgekürzt werden. Der RER wird so bezeichnet, weil er mit Ribosomen "gespickt" ist; Hier findet die Proteinmodifikation statt. Im SER hingegen werden die oben genannten Stoffe zusammengestellt.
• Golgi-Körper: Auch Golgi-Apparat genannt. Es sieht aus wie ein abgeflachter Stapel membrangebundener Säcke und verpackt Lipide und Proteine ​​​​in Vesikel die sich dann vom endoplasmatischen Retikulum lösen. Die Vesikel liefern die Lipide und Proteine ​​an andere Teile der Zelle.
  
• Lysosomen: Alle Stoffwechselprozesse erzeugen Abfall, und die Zelle muss über die Möglichkeit verfügen, ihn loszuwerden. Diese Funktion übernehmen Lysosomen, die Verdauungsenzyme enthalten, die Proteine, Fette und andere Substanzen, einschließlich abgenutzter Organellen, selbst abbauen.
• Vakuolen und Vesikel: Diese Organellen sind Säcke, die verschiedene zelluläre Komponenten umkreisen und sie von einem intrazellulären Ort zum nächsten bringen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Vesikel mit anderen membranösen Komponenten der Zelle verschmelzen können, während Vakuolen dies nicht können. In Pflanzenzellen enthalten einige Vakuolen Verdauungsenzyme, die große Moleküle abbauen können, ähnlich wie bei Lysosomen.
• Zytoskelett: Dieses Material besteht aus Mikrotubuli, Proteinkomplexen, die strukturelle Unterstützung bieten, indem sie sich vom Zellkern durch das Zytoplasma bis hin zur Plasmamembran erstrecken. In dieser Hinsicht sind sie wie die Balken und Träger eines Gebäudes, die verhindern, dass die gesamte dynamische Zelle in sich zusammenfällt.

Wenn sich Bakterienzellen teilen, ist der Prozess einfach: Die Zelle kopiert alle ihre Elemente, einschließlich ihrer DNA, während sich die Größe ungefähr verdoppelt und sich dann in einem Prozess, der als binäre Spaltung bekannt ist, in zwei Teile spaltet.

Die eukaryotische Zellteilung ist stärker beteiligt. Zuerst wird die DNA im Kern repliziert, während sich die Kernhülle auflöst, und dann trennen sich die replizierten Chromosomen in Tochterkerne. Dies ist als Mitose bekannt und besteht aus vier verschiedenen Stadien: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase; viele Quellen fügen direkt nach der Prophase eine fünfte Phase ein, die Prometaphase genannt wird. Danach teilt sich der Kern und es bilden sich neue Kernhüllen um die beiden identischen Chromosomensätze.

Schließlich teilt sich die Zelle als Ganzes in einem Prozess, der als. bekannt ist Zytokinese. Wenn aufgrund von ererbten Fehlbildungen (Mutationen) oder dem Vorhandensein schädlicher Chemikalien bestimmte Defekte in der DNA vorhanden sind, kann die Zellteilung ungehindert ablaufen; Dies ist die Grundlage für Krebs, eine Gruppe von Krankheiten, für die es nach wie vor keine Heilung gibt, obwohl die Behandlungen weiter verbessert werden, um eine erheblich verbesserte Lebensqualität zu ermöglichen.