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Zellen-Biologie)

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Nicht zu verwechseln mit der Zellbiologie .

Zelle
Wilson1900Fig2.jpg
Zwiebelwurzelzellen ( Allium cepa ) in verschiedenen Phasen des Zellzyklus (gezeichnet von EB Wilson , 1900)
Celltypes.svg
Eine eukaryotische Zelle (links) und eine prokaryotische Zelle (rechts)
Kennungen
GittergewebeD002477
THH1.00.01.0.00001
FMA686465
Anatomische Terminologie

Die Zelle (aus dem Lateinischen cella , was "kleiner Raum" bedeutet [1] ) ist die grundlegende strukturelle, funktionelle und biologische Einheit aller bekannten Organismen. Eine Zelle ist die kleinste Einheit des Lebens. Zellen werden oft als "Bausteine ​​des Lebens" bezeichnet. Das Studium von Zellen wird als Zellbiologie , Zellbiologie oder Zytologie bezeichnet.

Zellen bestehen aus Zytoplasma, das in einer Membran eingeschlossen ist , die viele Biomoleküle wie Proteine und Nukleinsäuren enthält . [2] Die meisten pflanzlichen und tierischen Zellen sind nur unter einem Lichtmikroskop mit Abmessungen zwischen 1 und 100  Mikrometern sichtbar . [3] Die Elektronenmikroskopie liefert eine viel höhere Auflösung und zeigt eine sehr detaillierte Zellstruktur. Organismen können als einzellig (bestehend aus einer einzelnen Zelle wie Bakterien ) oder mehrzellig (einschließlich Pflanzen und Tiere) klassifiziert werden . [4] Die meisteneinzellige Organismen werden als Mikroorganismen eingestuft .

Die Anzahl der Zellen in Pflanzen und Tieren variiert von Art zu Art; Es wurde geschätzt, dass Menschen etwa 40 Billionen (4 × 10 13 ) Zellen enthalten. [a] [5] Das menschliche Gehirn macht rund 80 Milliarden dieser Zellen aus. [6]

Zellen wurden 1665 von Robert Hooke entdeckt , der sie nach ihrer Ähnlichkeit mit Zellen benannte, in denen christliche Mönche in einem Kloster lebten . [7] [8] Die 1839 von Matthias Jakob Schleiden und Theodor Schwann entwickelte Zelltheorie besagt, dass alle Organismen aus einer oder mehreren Zellen bestehen, dass Zellen die grundlegende Einheit von Struktur und Funktion in allen lebenden Organismen sind und dass Alle Zellen stammen aus bereits vorhandenen Zellen. [9] Zellen sind vor mindestens 3,5 Milliarden Jahren auf der Erde entstanden. [10] [11] [12]

Zelltypen

Es gibt zwei Arten von Zellen: eukaryotische Zellen , die einen Kern enthalten , und prokaryotische Zellen , die dies nicht tun. Prokaryoten sind einzellige Organismen , während Eukaryoten entweder einzellig oder mehrzellig sein können .

Prokaryotische Zellen

Hauptartikel: Prokaryote
Struktur einer typischen prokaryotischen Zelle

Zu den Prokaryoten gehören Bakterien und Archaeen , zwei der drei Lebensbereiche . Prokaryontische Zellen waren die erste Lebensform auf der Erde, die durch lebenswichtige biologische Prozesse einschließlich der Signalübertragung von Zellen gekennzeichnet war . Sie sind einfacher und kleiner als eukaryotische Zellen und haben keinen Kern und keine anderen membrangebundenen Organellen . Die DNA einer prokaryotischen Zelle besteht aus einem einzelnen zirkulären Chromosom , das in direktem Kontakt mit dem Zytoplasma steht . Die Kernregion im Zytoplasma wird als Nukleoid bezeichnet. Die meisten Prokaryoten sind die kleinsten aller Organismen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 2,0 μm. [13]

Eine prokaryotische Zelle hat drei Regionen:

  • Um die Zelle herum befindet sich die Zellhülle - im Allgemeinen bestehend aus einer Plasmamembran, die von einer Zellwand bedeckt ist , die für einige Bakterien weiter von einer dritten Schicht bedeckt sein kann, die als Kapsel bezeichnet wird . Obwohl die meisten Prokaryoten sowohl eine Zellmembran als auch eine Zellwand haben, gibt es Ausnahmen wie Mycoplasma (Bakterien) und Thermoplasma (Archaea), die nur die Zellmembranschicht besitzen. Die Hülle verleiht der Zelle Steifheit und trennt das Innere der Zelle von ihrer Umgebung, die als Schutzfilter dient. Die Zellwand besteht aus Peptidoglycanin Bakterien und wirkt als zusätzliche Barriere gegen äußere Kräfte. Es verhindert auch die Zelle von Erweiterung und platzt ( Zytolyse ) aus osmotischen Druck aufgrund einer hypotonischen Umgebung. Einige eukaryotische Zellen ( Pflanzenzellen und Pilzzellen ) haben auch eine Zellwand.
  • In der Zelle befindet sich die zytoplasmatische Region , die das Genom (DNA), Ribosomen und verschiedene Arten von Einschlüssen enthält. [4] Das genetische Material befindet sich frei im Zytoplasma. Prokaryoten können extrachromosomale DNA- Elemente tragen , die als Plasmide bezeichnet werden und normalerweise kreisförmig sind. Lineare bakterielle Plasmide wurden in mehreren Arten von Spirochätenbakterien identifiziert , einschließlich Mitgliedern der Gattung Borrelia, insbesondere Borrelia burgdorferi , die die Lyme-Borreliose verursacht. [14] Obwohl die DNA keinen Kern bildet, wird sie in einem Nukleoid kondensiert. Plasmide codieren zusätzliche Gene, wie beispielsweise Antibiotikaresistenzgene .
  • Außen ragen Flagellen und Pili aus der Zelloberfläche heraus. Dies sind Strukturen (nicht in allen Prokaryoten vorhanden) aus Proteinen, die die Bewegung und Kommunikation zwischen Zellen erleichtern.
Struktur einer typischen Tierzelle
Struktur einer typischen Pflanzenzelle

Eukaryontische Zellen

Hauptartikel: Eukaryote

Pflanzen , Tiere , Pilze , Schleimpilze , Protozoen und Algen sind alle eukaryotisch . Diese Zellen sind etwa fünfzehnmal breiter als ein typischer Prokaryot und können bis zu tausendmal größer sein. Das Hauptunterscheidungsmerkmal von Eukaryoten im Vergleich zu Prokaryoten ist die Kompartimentierung : das Vorhandensein membrangebundener Organellen (Kompartimente), in denen spezifische Aktivitäten stattfinden. Am wichtigsten unter diesen ist ein Zellkern , [4] ein Organell , dass die Zelle die Häuser DNA. Dieser Kern gibt dem Eukaryoten seinen Namen, was "wahrer Kern (Kern)" bedeutet. Weitere Unterschiede sind:

  • Die Plasmamembran ähnelt in ihrer Funktion der von Prokaryoten, mit geringfügigen Unterschieden im Aufbau. Zellwände können vorhanden sein oder nicht.
  • Die eukaryotische DNA ist in einem oder mehreren linearen Molekülen organisiert, die als Chromosomen bezeichnet werden und mit Histonproteinen assoziiert sind. Die gesamte chromosomale DNA wird im Zellkern gespeichert und durch eine Membran vom Zytoplasma getrennt. [4] Einige eukaryotische Organellen wie Mitochondrien enthalten auch DNA.
  • Viele eukaryotische Zellen sind bewimpert mit primären Zilien . Primäre Zilien spielen eine wichtige Rolle bei der Chemosensation, Mechanosensation und Thermosensation. Jedes Cilium kann daher "als sensorische Zellantenne angesehen werden , die eine große Anzahl von zellulären Signalwegen koordiniert und manchmal die Signalübertragung an die Ziliarmotilität oder alternativ an die Zellteilung und -differenzierung koppelt". [15]
  • Bewegliche Eukaryoten können sich mit beweglichen Zilien oder Flagellen bewegen . In Nadelbäumen und Blütenpflanzen fehlen bewegliche Zellen . [16] Eukaryontische Flagellen sind komplexer als Prokaryoten. [17]
Vergleich der Merkmale prokaryotischer und eukaryotischer Zellen
ProkaryotenEukaryoten
Typische OrganismenBakterien , ArchaeenProtisten , Pilze , Pflanzen , Tiere
Typische Größe~ 1–5  μm [18]~ 10–100 μm [18]
Art des KernsNukleoidregion ; kein wahrer Kernwahrer Kern mit Doppelmembran
DNAkreisförmig (normalerweise)lineare Moleküle ( Chromosomen ) mit Histon - Proteinen
RNA / Protein- Syntheseim Zytoplasma gekoppeltRNA - Synthese im Zellkern der
Proteinsynthese im Zytoplasma
Ribosomen50S und 30S60S und 40S
Zytoplasmatische Struktursehr wenige Strukturenstark strukturiert durch Endomembranen und ein Zytoskelett
ZellbewegungFlagellen aus FlagellinFlagellen und Zilien, die Mikrotubuli enthalten ; Lamellipodien und Filopodien enthaltenden Aktin
Mitochondrienkeinerein bis mehrere tausend
Chloroplastenkeinerin Algen und Pflanzen
Organisationnormalerweise einzelne ZellenEinzelzellen, Kolonien, höhere mehrzellige Organismen mit spezialisierten Zellen
Zellteilungbinäre Spaltung (einfache Teilung)Mitose (Spaltung oder Knospung)
Meiose
Chromosomeneinzelnes Chromosommehr als ein Chromosom
MembranenZellmembranZellmembran und membrangebundene Organellen

Subzelluläre Komponenten

Alle Zellen, ob prokaryotisch oder eukaryotisch , haben eine Membran , die die Zelle umhüllt, reguliert, was sich hinein und heraus bewegt (selektiv durchlässig) und das elektrische Potential der Zelle aufrechterhält . Innerhalb der Membran nimmt das Zytoplasma den größten Teil des Zellvolumens ein. Alle Zellen (mit Ausnahme der roten Blutkörperchen, denen ein Zellkern und die meisten Organellen fehlen, um maximalen Platz für Hämoglobin zu schaffen ) besitzen DNA , das Erbmaterial von Genen , und RNA , die die Informationen enthält, die zum Aufbau verschiedener Proteine erforderlich sind , wie zEnzyme , die primäre Maschinerie der Zelle. Es gibt auch andere Arten von Biomolekülen in Zellen. In diesem Artikel werden diese primären zellularen Komponenten aufgelistet und ihre Funktion kurz beschrieben.

Membran

Hauptartikel: Zellmembran
Detailliertes Diagramm der Lipiddoppelschicht-Zellmembran

Die Zellmembran oder Plasmamembran ist eine biologische Membran , die das Zytoplasma einer Zelle umgibt. Bei Tieren ist die Plasmamembran die äußere Grenze der Zelle, während sie bei Pflanzen und Prokaryoten normalerweise von einer Zellwand bedeckt ist . Diese Membran dient zum Trennen und Schützen einer Zelle vor ihrer Umgebung und besteht hauptsächlich aus einer doppelten Schicht von Phospholipiden , die amphiphil (teilweise hydrophob und teilweise hydrophil ) sind. Daher wird die Schicht als Phospholipid-Doppelschicht oder manchmal als flüssige Mosaikmembran bezeichnet. In diese Membran ist eine makromolekulare Struktur eingebettet, die als Porosom bezeichnet wirddas universelle Sekretionsportal in Zellen und eine Vielzahl von Proteinmolekülen , die als Kanäle und Pumpen fungieren und verschiedene Moleküle in die Zelle hinein und aus dieser heraus bewegen. [4] Die Membran ist semipermeabel und selektiv durchlässig, da sie entweder eine Substanz ( Molekül oder Ion ) frei, in begrenztem Umfang oder gar nicht durchlassen kann. Zelloberflächenmembranen enthalten auch Rezeptorproteine , mit denen Zellen externe Signalmoleküle wie Hormone nachweisen können .

Zytoskelett

Hauptartikel: Zytoskelett
Ein fluoreszierendes Bild einer Endothelzelle. Die Kerne sind blau gefärbt, die Mitochondrien sind rot gefärbt und die Mikrofilamente sind grün gefärbt.

Das Zytoskelett dient dazu, die Form der Zelle zu organisieren und aufrechtzuerhalten. verankert Organellen an Ort und Stelle; hilft während der Endozytose , der Aufnahme von externem Material durch eine Zelle und der Zytokinese , der Trennung von Tochterzellen nach der Zellteilung ; und bewegt Teile der Zelle in Wachstums- und Mobilitätsprozessen. Das eukaryotische Zytoskelett besteht aus Mikrotubuli , Zwischenfilamenten und Mikrofilamenten . Im Zytoskelett eines Neurons sind die Zwischenfilamente als Neurofilamente bekannt . Mit ihnen ist eine große Anzahl von Proteinen verbunden, die jeweils die Struktur einer Zelle steuern, indem sie Filamente lenken, bündeln und ausrichten.[4] Das prokaryotische Zytoskelett ist weniger gut untersucht, trägt jedoch zur Aufrechterhaltung der Zellform, Polarität und Zytokinese bei. [19] Das Untereinheitsprotein von Mikrofilamenten ist ein kleines monomeres Protein namens Actin . Die Untereinheit der Mikrotubuli ist ein dimeres Molekül namens Tubulin . Zwischenfilamente sind Heteropolymere, deren Untereinheiten zwischen den Zelltypen in verschiedenen Geweben variieren. Einige der Untereinheitenproteine ​​von Zwischenfilamenten umfassen jedoch Vimentin , Desmin , Lamin (Lamine A, B und C), Keratin (mehrere saure und basische Keratine) und Neurofilamentproteine ​​(NF-L, NF-M).

Genmaterial

Hauptartikel: DNA und RNA
Desoxyribonukleinsäure (DNA)

Es gibt zwei verschiedene Arten von genetischem Material: Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Zellen verwenden DNA für ihre langfristige Informationsspeicherung. Die in einem Organismus enthaltene biologische Information wird in seiner DNA-Sequenz kodiert . [4] RNA wird für den Informationstransport (z. B. mRNA ) und enzymatische Funktionen (z. B. ribosomale RNA) verwendet. Transfer - RNA (tRNA) Moleküle werden verwendet , um Aminosäuren bei dem Protein hinzufügen Übersetzung .

Prokaryotisches genetisches Material ist in einem einfachen zirkulären Bakterienchromosom in der Nukleoidregion des Zytoplasmas organisiert. Eukaryotisches genetisches Material ist in verschiedene [4] lineare Moleküle unterteilt, die als Chromosomen innerhalb eines diskreten Kerns bezeichnet werden, normalerweise mit zusätzlichem genetischem Material in einigen Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten (siehe endosymbiotische Theorie ).

Eine menschliche Zelle hat genetisches Material, das im Zellkern (dem Kerngenom ) und in den Mitochondrien (dem Mitochondriengenom ) enthalten ist. Beim Menschen ist das Kerngenom in 46 lineare DNA-Moleküle unterteilt, die als Chromosomen bezeichnet werden , darunter 22 homologe Chromosomenpaare und ein Paar Geschlechtschromosomen . Das mitochondriale Genom ist ein zirkuläres DNA-Molekül, das sich von der Kern-DNA unterscheidet. Obwohl die mitochondriale DNA im Vergleich zu Kernchromosomen sehr klein ist [4] , kodiert sie für 13 Proteine, die an der mitochondrialen Energieerzeugung beteiligt sind, und für spezifische tRNAs.

Fremdgenetisches Material (am häufigsten DNA) kann auch durch einen als Transfektion bezeichneten Prozess künstlich in die Zelle eingeführt werden . Dies kann vorübergehend sein, wenn die DNA nicht in das Genom der Zelle eingefügt ist , oder stabil, wenn dies der Fall ist. Bestimmte Viren fügen auch ihr genetisches Material in das Genom ein.

Organellen

Hauptartikel: Organelle

Organellen sind Teile der Zelle, die für die Ausführung einer oder mehrerer lebenswichtiger Funktionen angepasst und / oder spezialisiert sind, analog zu den Organen des menschlichen Körpers (wie Herz, Lunge und Niere, wobei jedes Organ eine andere Funktion ausübt). [4] Sowohl eukaryotische als auch prokaryotische Zellen haben Organellen, aber prokaryotische Organellen sind im Allgemeinen einfacher und nicht membrangebunden.

Es gibt verschiedene Arten von Organellen in einer Zelle. Einige (wie der Kern- und der Golgi-Apparat ) sind typischerweise einzeln, während andere (wie Mitochondrien , Chloroplasten , Peroxisomen und Lysosomen ) zahlreich sein können (Hunderte bis Tausende). Das Cytosol ist die gallertartige Flüssigkeit, die die Zelle füllt und die Organellen umgibt.

Eukaryotisch

Menschliche Krebszellen, insbesondere HeLa-Zellen , mit blau gefärbter DNA. Die zentrale und die Zelle ganz rechts befinden sich in der Interphase , daher ist ihre DNA diffus und die gesamten Kerne sind markiert. Die Zelle links durchläuft eine Mitose und ihre Chromosomen haben sich kondensiert.
3D-Rendering einer eukaryotischen Zelle
  • Zellkern : Der Zellkern ist das Informationszentrum einer Zelle und die auffälligste Organelle in einer eukaryotischen Zelle. Es beherbergt die Chromosomen der Zelle und ist der Ort, an dem fast die gesamte DNA- Replikation und RNA- Synthese ( Transkription ) stattfindet. Der Kern ist kugelförmig und durch eine Doppelmembran, die als Kernhülle bezeichnet wird, vom Zytoplasma getrennt . Die Kernhülle isoliert und schützt die DNA einer Zelle vor verschiedenen Molekülen, die versehentlich ihre Struktur beschädigen oder ihre Verarbeitung beeinträchtigen könnten. Während der Verarbeitung DNA wird transkribiert , oder in eine spezielle kopiert RNA, genannt Messenger-RNA (mRNA). Diese mRNA wird dann aus dem Kern transportiert und dort in ein spezifisches Proteinmolekül übersetzt. Der Nucleolus ist eine spezialisierte Region innerhalb des Nucleus, in der Ribosomenuntereinheiten zusammengesetzt sind. Bei Prokaryoten findet die DNA-Verarbeitung im Zytoplasma statt . [4]
  • Mitochondrien und Chloroplasten : Energie für die Zelle erzeugen. Mitochondrien sind selbstreplizierende Organellen, die in verschiedenen Zahlen, Formen und Größen im Zytoplasma aller eukaryotischen Zellen vorkommen. [4] Die Atmung erfolgt in den Zellmitochondrien, die die Energie der Zelle durch oxidative Phosphorylierung erzeugen , wobei Sauerstoff verwendet wird , um Energie freizusetzen, die in zellulären Nährstoffen (typischerweise Glukose ) gespeichert ist , um ATP zu erzeugen . Mitochondrien vermehren sich wie Prokaryoten durch binäre Spaltung . Chloroplasten kommen nur in Pflanzen und Algen vor und nehmen die Sonnenenergie auf, um durch Photosynthese Kohlenhydrate herzustellen .
Diagramm des Endomembransystems
  • Endoplasmatisches Retikulum : Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein Transportnetzwerk für Moleküle, die auf bestimmte Modifikationen und bestimmte Ziele abzielen , im Vergleich zu Molekülen, die frei im Zytoplasma schweben. Das ER hat zwei Formen: das raue ER, das auf seiner Oberfläche Ribosomen aufweist, die Proteine ​​in das ER absondern, und das glatte ER, dem Ribosomen fehlen. [4] Das glatte ER spielt eine Rolle bei der Sequestrierung und Freisetzung von Kalzium.
  • Golgi-Apparat : Die Hauptfunktion des Golgi-Apparats besteht darin, die Makromoleküle wie Proteine und Lipide , die von der Zelle synthetisiert werden, zu verarbeiten und zu verpacken .
  • Lysosomen und Peroxisomen : Lysosomen enthalten Verdauungsenzyme ( Säurehydrolasen ). Sie verdauen überschüssige oder abgenutzte Organellen , Speisereste und verschlungene Viren oder Bakterien . Peroxisomen haben Enzyme, die die Zelle von toxischen Peroxiden befreien . Die Zelle könnte diese zerstörerischen Enzyme nicht aufnehmen, wenn sie nicht in einem membrangebundenen System enthalten wären. [4]
  • Zentrosom : der Zytoskelett Veranstalter: Das Zentrosom produziert das Mikrotubuli einer Zelle - eine Schlüsselkomponente des Zytoskeletts . Es steuert den Transport durch die Notaufnahme und den Golgi-Apparat . Zentrosomen bestehen aus zwei Zentriolen , die sich während der Zellteilung trennen und bei der Bildung der mitotischen Spindel helfen . In den tierischen Zellen ist ein einzelnes Zentrosom vorhanden . Sie kommen auch in einigen Pilzen und Algenzellen vor.
  • Vakuolen : Vakuolen binden Abfallprodukte und speichern in Pflanzenzellen Wasser. Sie werden oft als flüssigkeitsgefüllter Raum beschrieben und sind von einer Membran umgeben. Einige Zellen, insbesondere Amöben , haben kontraktile Vakuolen, die bei zu viel Wasser Wasser aus der Zelle pumpen können. Die Vakuolen von Pflanzenzellen und Pilzzellen sind normalerweise größer als die von tierischen Zellen.

Eukaryotisch und prokaryotisch

  • Ribosomen : Das Ribosom ist ein großer Komplex von RNA- und Proteinmolekülen . [4] Sie bestehen jeweils aus zwei Untereinheiten und fungieren als Fließband, an dem RNA aus dem Kern zur Synthese von Proteinen aus Aminosäuren verwendet wird. Ribosomen können entweder frei schwebend oder an eine Membran gebunden gefunden werden (das raue endoplasmatische Retikulum bei Eukaryoten oder die Zellmembran bei Prokaryoten). [20]

Strukturen außerhalb der Zellmembran

Viele Zellen haben auch Strukturen, die ganz oder teilweise außerhalb der Zellmembran existieren. Diese Strukturen sind bemerkenswert, weil sie durch die semipermeable Zellmembran nicht vor der äußeren Umgebung geschützt sind . Um diese Strukturen zusammenzusetzen, müssen ihre Komponenten durch Exportprozesse über die Zellmembran transportiert werden.

Zellenwand

Weitere Informationen: Zellwand

Viele Arten von prokaryotischen und eukaryotischen Zellen haben eine Zellwand . Die Zellwand schützt die Zelle mechanisch und chemisch vor ihrer Umgebung und ist eine zusätzliche Schutzschicht für die Zellmembran. Verschiedene Zelltypen haben Zellwände aus verschiedenen Materialien; Pflanzenzellwände bestehen hauptsächlich aus Zellulose , Pilzzellwände bestehen aus Chitin und Bakterienzellwände bestehen aus Peptidoglycan .

Prokaryotisch

Kapsel

Eine gallertartige Kapsel ist in einigen Bakterien außerhalb der Zellmembran und der Zellwand vorhanden. Die Kapsel kann Polysaccharid wie bei Pneumokokken , Meningokokken oder Polypeptid wie Bacillus anthracis oder Hyaluronsäure wie bei Streptokokken sein . Kapseln sind nicht durch normale Färbeprotokolle gekennzeichnet und können mit Tusche oder Methylblau nachgewiesen werden . Dies ermöglicht einen höheren Kontrast zwischen den Zellen zur Beobachtung. [21] : 87

Flagella

Flagellen sind Organellen für die zelluläre Mobilität. Das bakterielle Flagellum erstreckt sich vom Zytoplasma durch die Zellmembran (en) und extrudiert durch die Zellwand. Sie sind lange und dicke fadenartige Anhänge, Protein in der Natur. Eine andere Art von Flagellum findet sich in Archaeen und eine andere Art in Eukaryoten.

Fimbrien

Eine Fimbria (Plural Fimbriae, auch bekannt als Pilus , Plural Pili) ist ein kurzes, dünnes, haarartiges Filament, das sich auf der Oberfläche von Bakterien befindet. Fimbrien bestehen aus einem Protein namens Pilin ( Antigen ) und sind für die Anlagerung von Bakterien an spezifische Rezeptoren auf menschlichen Zellen verantwortlich ( Zelladhäsion ). Es gibt spezielle Arten von Pili, die an der bakteriellen Konjugation beteiligt sind .

Zelluläre Prozesse

Prokaryoten teilen sich durch binäre Spaltung , während sich Eukaryoten durch Mitose oder Meiose teilen .

Reproduzieren

Hauptartikel: Zellteilung

Bei der Zellteilung teilt sich eine einzelne Zelle ( Mutterzelle genannt ) in zwei Tochterzellen. Dies führt zum Wachstum in mehrzelligen Organismen (dem Wachstum von Gewebe ) und zur Fortpflanzung ( vegetative Reproduktion ) in einzelligen Organismen . Prokaryontische Zellen teilen sich durch binäre Spaltung , während eukaryotische Zellen normalerweise einen Prozess der Kernteilung durchlaufen, der als Mitose bezeichnet wird , gefolgt von der Teilung der Zelle, die als Zytokinese bezeichnet wird . Eine diploide Zelle kann auch eine Meiose durchlaufen , um haploide Zellen zu produzieren, normalerweise vier. HaploideZellen dienen als Gameten in mehrzelligen Organismen und verschmelzen zu neuen diploiden Zellen.

Die DNA-Replikation oder der Prozess der Vervielfältigung des Genoms einer Zelle [4] findet immer dann statt, wenn sich eine Zelle durch Mitose oder binäre Spaltung teilt. Dies tritt während der S-Phase des Zellzyklus auf .

Bei der Meiose wird die DNA nur einmal repliziert, während sich die Zelle zweimal teilt. DNA - Replikation tritt nur vor der Meiose I . Eine DNA-Replikation findet nicht statt, wenn sich die Zellen bei Meiose II zum zweiten Mal teilen . [22] Die Replikation erfordert wie alle zellulären Aktivitäten spezielle Proteine ​​für die Ausführung der Aufgabe. [4]

Ein Überblick über den Abbau von Proteinen , Kohlenhydraten und Fetten

DNA-Reparatur

Hauptartikel: DNA-Reparatur

Im Allgemeinen enthalten Zellen aller Organismen Enzymsysteme, die ihre DNA auf Schäden untersuchen und Reparaturprozesse durchführen, wenn Schäden festgestellt werden. [23] In Organismen von Bakterien bis hin zu Menschen haben sich verschiedene Reparaturprozesse entwickelt. Die weit verbreitete Verbreitung dieser Reparaturprozesse zeigt, wie wichtig es ist, die zelluläre DNA in einem unbeschädigten Zustand zu halten, um Zelltod oder Replikationsfehler aufgrund von Schäden zu vermeiden, die zu Mutationen führen könnten . E. coli- Bakterien sind ein gut untersuchtes Beispiel für einen zellulären Organismus mit verschiedenen genau definierten DNA-Reparaturprozessen . Dazu gehören: (1) Reparatur der Nukleotid-Exzision , (2) Reparatur von DNA-Fehlpaarungen, (3) nicht homologe Endverbindung von Doppelstrangbrüchen, (4) Rekombinationsreparatur und (5) lichtabhängige Reparatur ( Photoreaktivierung ).

Wachstum und Stoffwechsel

Ein Überblick über die Proteinsynthese.
Innerhalb des Zellkerns ( hellblau ) werden Gene (DNA, dunkelblau ) in RNA transkribiert . Diese RNA wird dann einer posttranskriptionellen Modifikation und Kontrolle unterzogen , was zu einer reifen mRNA ( rot ) führt, die dann aus dem Kern in das Zytoplasma ( Pfirsich ) transportiert wird, wo sie in ein Protein translatiert wird . mRNA wird durch Ribosomen ( lila ) translatiert , die mit den Drei-Basen- Codons übereinstimmender mRNA zu den Drei-Basen-Anti-Codons der entsprechenden tRNA . Neu synthetisierte Proteine ​​( schwarz ) werden häufig weiter modifiziert, beispielsweise durch Bindung an ein Effektormolekül ( orange ), um vollständig aktiv zu werden.
Hauptartikel: Zellwachstum und Stoffwechsel

Zwischen aufeinanderfolgenden Zellteilungen wachsen Zellen durch die Funktion des Zellstoffwechsels. Der Zellstoffwechsel ist der Prozess, durch den einzelne Zellen Nährstoffmoleküle verarbeiten. Der Stoffwechsel hat zwei unterschiedliche Unterteilungen: Katabolismus , bei dem die Zelle komplexe Moleküle abbaut , um Energie zu produzieren und Energie zu reduzieren , und Anabolismus , bei dem die Zelle Energie und reduzierende Kraft verwendet, um komplexe Moleküle aufzubauen und andere biologische Funktionen auszuführen. Komplexe Zucker, die vom Organismus verbraucht werden, können in einfachere Zuckermoleküle zerlegt werden, die als Monosaccharide wie Glucose bezeichnet werden . In der Zelle wird Glukose zu Adenosintriphosphat ( ATP ) abgebaut. [4] Ein Molekül, das über zwei verschiedene Wege leicht verfügbare Energie besitzt.

Proteinsynthese

Hauptartikel: Proteinbiosynthese

Zellen sind in der Lage, neue Proteine ​​zu synthetisieren, die für die Modulation und Aufrechterhaltung der zellulären Aktivitäten wesentlich sind. Dieser Prozess beinhaltet die Bildung neuer Proteinmoleküle aus Aminosäurebausteinen basierend auf Informationen, die in DNA / RNA kodiert sind. Die Proteinsynthese besteht im Allgemeinen aus zwei Hauptschritten: Transkription und Translation .

Transkription ist der Prozess, bei dem genetische Information in DNA verwendet wird, um einen komplementären RNA-Strang herzustellen. Dieser RNA-Strang wird dann verarbeitet, um Messenger-RNA (mRNA) zu ergeben, die frei durch die Zelle wandern kann. mRNA-Moleküle binden an Protein-RNA-Komplexe, sogenannte Ribosomen im Cytosol , wo sie in Polypeptidsequenzen übersetzt werden. Das Ribosom vermittelt die Bildung einer Polypeptidsequenz basierend auf der mRNA-Sequenz. Die mRNA-Sequenz steht in direktem Zusammenhang mit der Polypeptidsequenz, indem sie an Transfer-RNA (tRNA) -Adaptermoleküle in Bindungstaschen innerhalb des Ribosoms bindet. Das neue Polypeptid faltet sich dann zu einem funktionellen dreidimensionalen Proteinmolekül.

Motilität

Hauptartikel: Motilität

Einzellige Organismen können sich bewegen, um Nahrung zu finden oder Raubtieren zu entkommen. Übliche Bewegungsmechanismen sind Flagellen und Zilien .

In mehrzelligen Organismen können sich Zellen während Prozessen wie Wundheilung, Immunantwort und Krebsmetastasen bewegen . Beispielsweise bewegen sich bei der Wundheilung bei Tieren weiße Blutkörperchen zur Wundstelle, um die Mikroorganismen abzutöten, die eine Infektion verursachen. Die Zellmotilität umfasst viele Rezeptoren, Vernetzung, Bündelung, Bindung, Adhäsion, Motor und andere Proteine. [24] Der Prozess ist in drei Schritte unterteilt: Vorsprung der Vorderkante der Zelle, Adhäsion der Vorderkante und De-Adhäsion am Zellkörper und hinten sowie Kontraktion des Zytoskeletts, um die Zelle nach vorne zu ziehen. Jeder Schritt wird von physikalischen Kräften angetrieben, die von einzigartigen Segmenten des Zytoskeletts erzeugt werden. [25] [26]

Navigation, Steuerung und Kommunikation

Siehe auch: Kybernetik § In der Biologie

Im August 2020 beschrieben Wissenschaftler eine Möglichkeit , Zellen - insbesondere Zellen eines Schleimpilzes und Maus Bauchspeicheldrüsenkrebs-abgeleiteten Zellen - ist in der Lage zu navigieren effizient durch einen Körper und die besten Routen durch komplexe Labyrinthe identifizieren: Steigungen nach Abbau diffuse Erzeugung chemischen Lockstoffe der Ermöglichen Sie ihnen, bevorstehende Labyrinthknotenpunkte zu erkennen, bevor Sie sie erreichen, auch um Ecken. [27] [28] [29]

Mehrzelligkeit

Hauptartikel: Mehrzelliger Organismus

Zellspezialisierung / -differenzierung

Hauptartikel: Zelldifferenzierung
Färbung einer Caenorhabditis elegans, die die Kerne ihrer Zellen hervorhebt.

Mehrzellige Organismen sind Organismen , die im Gegensatz zu einzelligen Organismen aus mehr als einer Zelle bestehen . [30]

In komplexen mehrzelligen Organismen spezialisieren sich Zellen auf verschiedene Zelltypen , die an bestimmte Funktionen angepasst sind. Bei Säugetieren gehören zu den Hauptzelltypen Hautzellen , Muskelzellen , Neuronen , Blutzellen , Fibroblasten , Stammzellen und andere. Zelltypen unterscheiden sich sowohl in Aussehen als auch in Funktion, sind jedoch genetisch identisch. Zellen können aufgrund der unterschiedlichen Expression der in ihnen enthaltenen Gene vom gleichen Genotyp, aber vom unterschiedlichen Zelltyp sein .

Die meisten verschiedenen Zelltypen entstehen aus einer einzigen totipotenten Zelle, ein genannt Zygote , dass differenziert in Hunderte von verschiedenen Zelltypen im Verlauf der Entwicklung . Die Differenzierung von Zellen wird durch unterschiedliche Umwelteinflüsse (z. B. Zell-Zell-Wechselwirkung) und intrinsische Unterschiede (z. B. durch ungleichmäßige Verteilung der Moleküle während der Teilung ) bestimmt.

Ursprung der Mehrzelligkeit

Hauptartikel: Mehrzelliger Organismus

Die Mehrzelligkeit hat sich mindestens 25 Mal unabhängig voneinander entwickelt [31], einschließlich einiger Prokaryoten wie Cyanobakterien , Myxobakterien , Actinomyceten , Magnetoglobus multicellularis oder Methanosarcina . Komplexe mehrzellige Organismen entwickelten sich jedoch nur in sechs eukaryotischen Gruppen: Tiere, Pilze, Braunalgen, Rotalgen, Grünalgen und Pflanzen. [32] Es entwickelte sich wiederholt für Pflanzen ( Chloroplastida ), ein- oder zweimal für Tiere , einmal für Braunalgen und möglicherweise mehrmals für Pilze , Schleimpilze und Rotalgen .[33] Multizellularität kann sich aus Kolonien voneinander abhängiger Organismen, aus der Zellularisierung oder aus Organismen in symbiotischen Beziehungen entwickelt haben .

Der erste Hinweis auf Mehrzelligkeit stammt von Cyanobakterien- ähnlichen Organismen, die vor 3 bis 3,5 Milliarden Jahren lebten. [31] Andere frühe Fossilien mehrzelliger Organismen sind die umstrittene Grypania spiralis und die Fossilien der Schwarzschiefer der paläoproterozoischen Formation Francevillian Group Fossil B in Gabun . [34]

Die Entwicklung der Mehrzelligkeit von einzelligen Vorfahren wurde im Labor in Evolutionsexperimenten unter Verwendung von Prädation als selektivem Druck wiederholt . [31]

Ursprünge

Hauptartikel: Evolutionsgeschichte des Lebens

Der Ursprung der Zellen hat mit dem Ursprung des Lebens zu tun, mit dem die Geschichte des Lebens auf der Erde begann.

Ursprung der ersten Zelle

Stromatolithen werden von Cyanobakterien , auch Blaualgen genannt , zurückgelassen. Sie sind die ältesten bekannten Fossilien des Lebens auf der Erde. Dieses eine Milliarde Jahre alte Fossil stammt aus dem Glacier National Park in den USA.
Weitere Informationen: Abiogenese und Evolution von Zellen

Es gibt verschiedene Theorien über den Ursprung kleiner Moleküle, die zum Leben auf der frühen Erde führten . Sie wurden möglicherweise auf Meteoriten zur Erde gebracht (siehe Murchison-Meteorit ), an Tiefseequellen erzeugt oder durch Blitzschlag in einer reduzierenden Atmosphäre synthetisiert (siehe Miller-Urey-Experiment ). Es gibt nur wenige experimentelle Daten, die definieren, was die ersten selbstreplizierenden Formen waren. Es wird angenommen, dass RNA das früheste selbstreplizierende Molekül ist, da es sowohl genetische Informationen speichern als auch chemische Reaktionen katalysieren kann (siehe Hypothese der RNA-Welt ), aber eine andere Entität mit dem Potenzial zur Selbstreplikation könnte der RNA vorausgegangen sein, wie z Ton oderPeptidnukleinsäure . [35]

Zellen entstanden vor mindestens 3,5 Milliarden Jahren. [10] [11] [12] Derzeit wird angenommen, dass diese Zellen Heterotrophe waren . Die frühen Zellmembranen waren wahrscheinlich einfacher und durchlässiger als moderne, mit nur einer einzigen Fettsäurekette pro Lipid. Es ist bekannt, dass Lipide in Wasser spontan zweischichtige Vesikel bilden und der RNA vorausgegangen sein könnten, aber die ersten Zellmembranen könnten auch durch katalytische RNA hergestellt worden sein oder sogar Strukturproteine ​​benötigt haben, bevor sie sich bilden könnten. [36]

Herkunft der eukaryotischen Zellen

Weitere Informationen: Entwicklung der sexuellen Fortpflanzung

Die eukaryotische Zelle scheint sich aus einer symbiotischen Gemeinschaft prokaryotischer Zellen entwickelt zu haben. DNA-tragende Organellen wie die Mitochondrien und die Chloroplasten stammen von alten symbiotischen sauerstoffatmenden Proteobakterien bzw. Cyanobakterien ab, die von einem archaischen Ahnenprokaryoten endosymbiosiert wurden .

Es gibt immer noch erhebliche Debatten darüber, ob Organellen wie das Hydrogenosom vor dem Ursprung der Mitochondrien lagen oder umgekehrt: siehe die Wasserstoffhypothese zum Ursprung eukaryotischer Zellen.

Forschungsgeschichte

Hauptartikel: Zelltheorie
Hookes Zeichnung von Zellen aus Kork , 1665
  • 1632–1723: Antonie van Leeuwenhoek brachte sich selbst die Herstellung von Linsen bei , konstruierte optische Grundmikroskope und zeichnete Protozoen wie Vorticella aus Regenwasser und Bakterien aus seinem eigenen Mund.
  • 1665: Robert Hooke entdeckt Zellen in Kork , dann in lebendem Pflanzengewebe unter Verwendung eines frühen zusammengesetzten Mikroskops. In seinem Buch Micrographia (1665) prägte er den Begriff Zelle (aus dem Lateinischen Cella , was "kleiner Raum" bedeutet [1] ). [37]
  • 1839: Theodor Schwann und Matthias Jakob Schleiden erläuterten das Prinzip, dass Pflanzen und Tiere aus Zellen bestehen, schlussfolgerten, dass Zellen eine gemeinsame Einheit von Struktur und Entwicklung sind, und begründeten damit die Zelltheorie.
  • 1855: Rudolf Virchow gibt an, dass neue Zellen durch Zellteilung aus vorbestehenden Zellen stammen ( omnis cellula ex cellula ).
  • 1859: Der Glaube, dass Lebensformen spontan auftreten können ( generatio spontanea ), wurde von Louis Pasteur (1822–1895) widerlegt (obwohl Francesco Redi 1668 ein Experiment durchgeführt hatte, das dieselbe Schlussfolgerung nahelegte).
  • 1931: Ernst Ruska baut das erste Transmissionselektronenmikroskop (TEM) an der Universität Berlin . Bis 1935 hatte er eine EM mit der doppelten Auflösung eines Lichtmikroskops gebaut, die bisher unlösbare Organellen enthüllte.
  • 1953: Basierend auf Rosalind Franklins Arbeit machten Watson und Crick ihre erste Ankündigung zur Doppelhelixstruktur der DNA.
  • 1981: Lynn Margulis veröffentlicht Symbiosis in Cell Evolution, in der die endosymbiotische Theorie detailliert beschrieben wird .

Siehe auch

  • Zellkortex
  • Zellkultur
  • Zellulares Modell
  • Zytorrhyse
  • Cytoneme
  • Zytotoxizität
  • Menschliche Zelle
  • Lipidfloß
  • Überblick über die Zellbiologie
  • Parakaryon myojinensis
  • Plasmolyse
  • Syncytium
  • Tunneln von Nanoröhren
  • Gewölbe (Organelle)

Verweise

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    Der Alberts-Text beschreibt, wie sich die "zellulären Bausteine" bewegen, um sich entwickelnde Embryonen zu formen. Es ist auch üblich, kleine Moleküle wie Aminosäuren als " molekulare Bausteine " zu beschreiben.
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Anmerkungen

  1. ^ Eine Annäherung für jemanden, der 30 Jahre alt ist, 70 Kilogramm wiegt und 172 Zentimeter groß ist. [5] Die Annäherung ist nicht genau. Diese Studie schätzte die Anzahl der Zellen auf 3,72 ± 0,81 × 10 13 . [5]

Weiterführende Literatur

  • Alberts B., Johnson A., Lewis J., Morgan D., Raff M., Roberts K., Walter P. (2015). Molekularbiologie der Zelle (6. Aufl.). Garland Science. p. 2. ISBN 9780815344322.
  • Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. (2014). Molekularbiologie der Zelle (6. Aufl.). Girlande. ISBN 9780815344322.;; Die vierte Ausgabe ist frei erhältlich von National Center for Biotechnology Information Bücherregal.
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  • Cooper GM (2000). Die Zelle: ein molekularer Ansatz (2. Aufl.). Washington, DC: ASM Press. ISBN 9780878931026.

Externe Links

  • MBInfo - Beschreibungen zu zellulären Funktionen und Prozessen
  • MBInfo - Zelluläre Organisation
  • Inside the Cell - eine Broschüre zum naturwissenschaftlichen Unterricht der National Institutes of Health in PDF und ePub .
  • Zellen leben!
  • Zellbiologie in "The Biology Project" der Universität von Arizona .
  • Zentrum der Zelle online
  • Die Bild- und Videobibliothek der American Society for Cell Biology , eine Sammlung von Peer-Review-Standbildern, Videoclips und digitalen Büchern, die die Struktur, Funktion und Biologie der Zelle veranschaulichen.
  • HighMag Blog , Standbilder von Zellen aus aktuellen Forschungsartikeln.
  • Neues Mikroskop produziert schillernde 3D-Filme von lebenden Zellen , 4. März 2011 - Howard Hughes Medical Institute .
  • WormWeb.org: Interaktive Visualisierung der C. elegans- Zelllinie - Visualisieren Sie den gesamten Zelllinienbaum des Fadenwurms C. elegans
  • Zellmikrofotografien