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Grundstrukturen des Körpers – von Zellen und Organen

Die rasanten technischen Fortschritte vor allem in der Mikroskopie brachten es an den Tag: Wir Menschen bestehen aus vielen Milliarden kleinster lebender Untereinheiten, den Zellen. Diese sind sowohl in ihrem Aufbau als auch in ihrer Funktion extrem kompliziert und vielschichtig. Trotz ihrer geringen Größe verfügt jede einzelne Zelle nämlich über eine wohl geordnete innere Organisation. Die unzähligen chemischen Reaktionen im Zellinnern finden in mikroskopisch kleinen Unterstrukturen – den Zellorganellen – statt, die ihre jeweiligen Aufgaben perfekt koordinieren.

Die Abermilliarden von Zellen, aus denen sich ein Körper zusammensetzt, existieren jedoch nicht als identisch aufgebaute, individuelle Einheiten, sondern funktionieren nach dem Prinzip der Arbeitsteilung. Die Vereinigung höchst unterschiedlicher Zelltypen führt zur Bildung von Geweben, die bestimmte Aufgaben im Körper übernehmen. Durch die Zusammenarbeit verschiedener Gewebe entstehen wiederum größere Strukturen, die Organe. Miteinander verbundene Organe fügen sich zu Körpersystemen zusammen, deren koordinierte Zusammenarbeit schließlich den gut funktionierenden menschlichen Körper ausmacht.

Während unseres ganzen Lebens sind wir einem konstanten Umbauprozess unterworfen, in dessen Verlauf sich Größe und Gewicht unseres Körpers wandelt. Diese Wachstumsprozesse werden durch Teilung, Differenzierung und Weiterentwicklung von Zellen verursacht. Auch die Zellerneuerung zählt zu diesen Mechanismen. Die Phase der höchsten Wachstumgeschwindigkeit ist die Zeit, in der sich der Fetus im Mutterleib zu einem lebensfähigen Menschen entwickelt.

Zellen: Winzige, aber perfekte Bausteine

Wie viele Zellen ergeben einen Menschen?

Der menschliche Körper besteht aus mehr als 10 000 Milliarden Zellen. Sie sind die kleinsten Funktionseinheiten, durch deren organisierte Zusammenarbeit ein funktionsfähiger Mensch entsteht. Innerhalb jeder einzelnen Zelle finden Tausende aufeinander abgestimmte chemische Reaktionen statt, die die Zelle am Leben erhalten. Das Steuerzentrum für Betrieb und Reparatur der Zellen befindet sich im Zellkern.

Welche Funktion hat die Zellmembran?

Die Zellmembran, die jede Körperzelle umschließt, kontrolliert den Durchtritt von Stoffen in das Zellinnere oder nach außen. Sie besteht aus einer flüssigen Doppelschicht aus Fettmolekülen, in der Eiweiße schwimmen. Die Zellmembran (Plasmalemm) besitzt eine selektive Durchlässigkeit (Permeabilität). Das bedeutet, dass nur bestimmte Substanzen die Zellmembran passieren können.

Was ist das Zytoplasma?

Das Zytoplasma enthält Zytosol, eine zähe, klare Flüssigkeit, die zu 80 bis 90 Prozent aus Wasser besteht. Darin liegen in gelöster Form Zucker, Salze, Aminosäuren und zahlreiche andere Substanzen vor. Im Zytoplasma finden sich neben dem Zellkern und den Zellorganellen die Zelleinschlüsse. Sie setzen sich zusammen aus Glykogentröpfchen (Energiespeicher), die hauptsächlich in Muskelzellen zu finden sind, oder aus winzigen Melaninpartikeln (braune Pigmentsubstanz), wie sie für die Hautzellen typisch sind. Das Zytoplasma wird von der Zellmembran umhüllt.

Welche Rolle übernehmen die Zellorganellen?

Sie sorgen dafür, dass die verschiedenen chemischen Reaktionen im Zellinnern voneinander getrennt ablaufen. Alle haben spezielle Aufgaben.

Die Mitochondrien: Sie sind die Kraftwerke oder Energiefabriken der Zellen. Aus Glucose und anderen energiereichen Nährstoffen produzieren sie Energie in der Form von ATP (Adenosintriphosphat). ATP wird von den anderen Zellorganellen für deren chemische Reaktionen verwendet.

Die Ribosomen: Sie ähneln in ihrer Form winzigen Körnchen. Innerhalb der Ribosomen findet die Eiweißherstellung statt, eine Hauptaktivität der Zelle. Die Eiweiße werden zum Aufbau der Zellmembranen verwendet oder als Enzyme, die die chemischen Reaktionen im Zellinnern beschleunigen und steuern. Freie Ribosomen schwimmen im Zytosol, membrangebundene Ribosomen haften am endoplasmatischen Retikulum.

Das endoplasmatische Retikulum:Dieses reich verzweigte Netz aus miteinander verbundenen und mehrfach gefalteten Membranen stellt die Zellfabrik dar. Das endoplasmatische Retikulum (ER) produziert und speichert eine Vielzahl von Substanzen. Im Gegensatz zum glatten ist das raue endoplasmatische Retikulum mit Ribosomen bedeckt.

Der Golgi-Apparat: Diese Zellorganelle befindet sich in der Nähe des Zellkerns. Der Golgi-Apparat besteht aus einem Stapel abgeflachter Membransäckchen. Hier werden die im rauen endoplasmatischen Retikulum (ER) hergestellten Eiweiße gespeichert, weiterverarbeitet und mithilfe der Golgi-Vesikel zur Verwendung im Zellinnern oder außerhalb der Zelle weitertransportiert.

Das Zellskelett: Dieses wird auch Zytoskelett genannt. Es hat eine Stützfunktion im Zellinnern und erleichtert die Bewegungen der Zelle. Mikrofilamente sind dünne Eiweißfasern, die die Zelloberfläche verstärken und Zellbewegungen erzeugen. Mikrotubuli sind hohle Eiweißstäbchen, die für die Zellform mitverantwortlich sind und als Wege dienen, entlang derer andere Zellbestandteile transportiert werden können.

Die Zentralkörperchen: Die paarigen Zentralkörperchen (Zentriolen) sind kleine, säulenartige Zellorganellen, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind und in Kernnähe auftreten. Die Zentriolen spielen eine wichtige Rolle bei der Spindelbildung während der Zellteilung.

Die Zilien: Haarförmige Ausstülpungen auf der freien Oberfläche bestimmter Zellen bezeichnet man als Zilien. Zellen mit Zilien kleiden bestimmte Gänge und Hohlsysteme aus, beispielsweise die Luftröhre oder die Eileiter. Mit ihren rhythmischen Schlägen sorgen die Zilien für den Transport von Substanzen über die Zelloberfläche hinweg.

Wussten Sie, dass …

ein Großteil der Lebensvorgänge in den Zellen auch mit den technisch ausgeklügeltsten Mikroskopen für den Menschen nicht sichtbar gemacht werden kann?

Zellen ein eigenes Recycling-System haben? Die Lysosomen – winzige, mit Verdauungsenzymen gefüllte Membransäckchen – sorgen für die Aufbereitung ausgedienter Zellbestandteile.

die größte menschliche Zelle die reife Eizelle ist? Sie hat einen Durchmesser von 0,15 Millimeter, kann also mit bloßem Auge gesehen werden. Die männliche Geschlechtszelle, die Samenzelle, misst 0,05 Millimeter.

die Nervenzellen die längsten Zellen des menschlichen Körpers sind? Einige erreichen eine Länge von bis zu einem Meter.

Muskelzellen sich von anderen Zellen insbesondere dadurch unterscheiden, dass sie sich zusammenziehen können?

Zellkern: Kontrollzentrum der Zellfabrik

Wie ist der Zellkern zusammengesetzt?

Der Zellkern (Nucleus) besteht aus einer gallertartigen Flüssigkeit, dem Kernplasma (Karyoplasma), das vom Zytoplasma der Zelle durch zwei Membranen getrennt ist. Zusammen werden sie als Kernhülle bezeichnet. Sie ist von zahlreichen Kernporen durchsetzt, die den Durchtritt bestimmter Substanzen erlauben.

Das Kerninnere enthält Chromosomen und Kernkörperchen – kugelförmige Gebilde, die Ribosomen produzieren. Die Chromosomen sind fadenartige Gebilde, die sich aus dem Erbmaterial DNA (Desoxyribonukleinsäure) und strukturellen Eiweißen zusammensetzen. Der Zellkern ist die größte Struktur in der Zelle und fungiert als ihr Steuersystem.

Wo sitzt das Geheimnis der Menschheit?

Es sitzt in den Chromosomen. Das sind lange Ketten aus DNA-Molekülen, die die gesamte Erbsubstanz enthalten. Hier finden sich alle Informationen, die uns als Mensch ausmachen und zudem von anderen Menschen unterscheiden. Kleinere oder größere Abschnitte auf diesen Ketten bestimmen einzelne Merkmale wie unser äußeres Erscheinungsbild, einschließlich Geschlecht, Körpergröße, Haar-, Augen- und Hautfarbe und bis zu einem gewissen Umfang auch unsere intellektuellen Fähigkeiten und die Empfänglichkeit für bestimmte Krankheiten.

In den Chromosomen sind sämtliche Anweisungen für die Aktivität jeder Zelle und daher auch für das Wachstum und das Funktionieren des ganzen Körpers enthalten. Die meisten menschlichen Zellen enthalten 46 Chromosomen, die zu 23 Paaren angeordnet sind und zu gleichen Teilen von Vater und Mutter stammen. Die Geschlechtszellen, also Samen- und Eizelle, enthalten jeweils nur 23 Chromosomen. Neue Körperzellen entstehen durch Teilung vorhandener Zellen. Dazu werden die Chromosomen zuvor verdoppelt, damit die durch die Teilung entstehenden Zellen wieder 46 Chromosomen besitzen.

Was sagen uns die Gene?

Sie sind unsere Erbanlagen. Gene sind auf den Chromosomen liegende Informationseinheiten zur Produktion eines bestimmte Merkmale oder Funktionen repräsentierenden Eiweißes. Etwa 100 000 Segmente einer DNA-Molekülkette repräsentieren eine solche Anweisung. Durch die Steuerung der Eiweißherstellung kontrolliert die DNA die ganze Zelle. Die DNA-Moleküle verfügen auch über die einzigartige Fähigkeit, genaue Kopien von sich selbst herzustellen.

Der genetische Code der DNA besteht aus einzelnen »Worten« in Form von Codons oder Basentripletts. Jedes dieser Codons repräsentiert eine spezielle Aminosäure, die Bausteine der Eiweiße. Zur Zusammenstellung eines Basentripletts stehen als »Buchstaben« vier Basen zur Verfügung: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin.

Wie wird neues Eiweiß produziert?

Der erste Schritt der Eiweißherstellung ist die Kopie eines Gens und seiner Sequenz von Basentripletts unter Verwendung eines ähnlichen, aber kürzeren und einsträngigen Moleküls, genannt Messenger-Ribonukleinsäure oder m-RNA (engl. = messenger ribonucleic acid). Die Messenger-Ribonukleinsäure gelangt durch die Poren der Kernmembran zu einem Ribosom im Zytoplasma, an das es sich anlagert. Während das Ribosom die Codons auf der Messenger-Ribonukleinsäure der Reihe nach abliest, transportieren die so genannten Transfer-Ribonukleinsäuren oder t-RNA die passenden Aminosäuren zur Messenger-Ribonukleinsäure, damit sie in der richtigen Reihenfolge zu einem neuen Eiweiß zusammengesetzt werden können.

Was ist ein genetischer Fingerabdruck?

Der genetische Fingerabdruck ist eine Methode zur genetischen Identifizierung von Individuen. Sie lässt Aussagen über die Wahrscheinlichkeit von Verwandtschaftsbeziehungen, Vaterschaft und Täterschaft in der Kriminalistik zu. Anwendung findet das Verfahren vor allem in der Gerichtsmedizin. Beim Einsatz der so genannten Polymerase-Kettenreaktion genügen als Ausgangsmaterial geringste Mengen DNA aus Blut, Sperma, Speichel, Geweberesten, Haaren oder Knochen.

Wussten Sie, dass …

die Muskelzellen mehrere Zellkerne enthalten, die roten Blutkörperchen dagegen keine?

die Körperzellen der Fruchtfliege nur 4 Chromosomen haben, dagegen die des Pferdes 64 Chromosomen aufweisen?

der genetische Plan eines Menschen bereits bei der ersten Zellteilung nach der Befruchtung feststeht?

die DNA einer Zelle etwa zwei Meter lang wäre, wenn man sie »entspiralisieren« würde?

Was bedeutet …

Stoffwechsel? Die Gesamtheit aller biologisch-chemischen Prozesse in unserem Organismus wird als Stoffwechsel (Metabolismus) bezeichnet. Dazu gehören der Abbau und die Aufnahme der Nährstoffe sowie der Aufbau und die Erhaltung der Körperbestandteile.

pH? Die Abkürzung für potentia hydrogenii bezeichnet die Konzentration von Wasserstoff-Ionen in wässrigen Lösungen. Der pH-Wert gibt den Säuregrad einer Lösung an. Flüssigkeiten mit einem pH-Wert unter sieben gelten als sauer, mit einem pH-Wert von sieben als neutral und zwischen 7 und 14 als alkalisch oder basisch.

Homöostase? Dies ist das Bestreben des Körpers, sein inneres Körpermilieu konstant zu halten. Es erfolgt mithilfe feiner Regelmechanismen zur Erhaltung beispielsweise der Körpertemperatur, des Blutdrucks, des Blutzuckerspiegels oder des Salzhaushalts.

Gewebe: Starke Verbände

Woraus besteht Gewebe?

Aus Zellverbänden. Zellen gleichen oder ähnlichen Typs vereinigen sich zu Verbänden – den Geweben – und arbeiten eng zusammen. Der menschliche Körper besteht aus ganz verschiedenen, teilweise miteinander verwobenen Gewebetypen. Jede Gewebeart erfüllt im Organismus eine besondere Aufgabe.

Was ist das Epithelgewebe?

Flächenhafte Zellverbände, das Epithelgewebe oder Epithel, bedecken die Körperoberflächen. Das Epithelgewebe bildet die äußere Hautschicht und kleidet auch Körperhöhlen wie das Herz oder die Harnblase aus. Die Zellen des Epithelgewebes sitzen dicht an dicht. Der Raum zwischen den Zellen (Interstitium) verfügt kaum über Substanz. Dieser Aufbau entspricht der Funktion des Epitheliums als praktisch undurchlässige Oberflächenschicht. Epithelgewebe werden von Nerven, nicht aber von Blutgefäßen versorgt. Nährstoffe und Sauerstoff gehen mittels Diffusion aus den Blutgefäßen, die durch das tiefer liegende Bindegewebe verlaufen, in die Epithelzellen über.

Je nach Form und Sitz im Körper haben Epithelgewebe die unterschiedlichsten Aufgaben. Auf der Haut bietet die außen gelegene Epithelschicht Schutz vor mechanischen und chemischen Reizen wie auch gegen zu starke Sonnenbestrahlung oder eindringende Bakterien. Das Resorptionsepithel, das den Dünndarm auskleidet, ist zuständig für die Aufnahme von Nährstoffen aus der verdauten Nahrung, das Epithel der Hodenkanälchen produziert Sperma. Die Funktionen des Drüsenepithels sind die Bildung von Sekreten, Befeuchtung, Verdauung und Ausscheidung. Das Oberflächenepithel stellt eine Verbindungsstelle dar, durch die alle Substanzen, die in den Körper eintreten oder aus ihm ausgeschieden werden, hindurchtreten müssen.

Wie stabilisieren Binde- und Stützgewebe?

Im Grunde in sämtlichen Körperbereichen – Binde- und Stützgewebe bilden eine Art Gerüst, das andere Gewebe unterstützt und zusammenhält. Dadurch werden der Bau und die Form des Körpers verstärkt. Binde- und Stützgewebe dienen auch zum Schutz und zur Wärmeisolierung des Körpers.

Die Abstände zwischen den Zellen des Binde- und Stützgewebes sind reichlich mit Zwischenzellensubstanz (Matrix) gefüllt. Dieser Überfluss an Matrix, die fest, faserig, gelartig, halbflüssig oder flüssig sein kann, lässt das Bindegewebe Spannungen widerstehen, Lasten tragen und vielerlei Belastungen aushalten.

In unserem Körper finden sich unterschiedliche Formen des Binde- und Stützgewebes. Das eigentliche Bindegewebe bestimmt entscheidend die Form des Körpers, da es das Epithelgewebe stützt und die Organe umhüllt. Man findet es auch in Sehnen, Bändern, in der Lederhaut und im Fettgewebe. Knorpelgewebe gehört zu den Stützgeweben. Der hyaline Knorpel bedeckt die Knochenenden, der elastische Knorpel findet sich z. B. in der Ohrmuschel und der Faserknorpel bildet die zwischen den Wirbeln liegenden Bandscheiben. Das Knochengewebe gehört zu den Stützgeweben mit einer harten Matrix. Es hat Stütz- und Schutzfunktionen. Das Blut dagegen besitzt eine flüssige Matrix, in der rote und weiße Blutzellen sowie Blutplättchen schwimmen.

Brauchen Muskeln Gewebe?

Natürlich. Nur der Verband aus zahlreichen Muskelzellen formt einen Muskel. Das Muskelgewebe ist verantwortlich für die Bewegung sowie die Aufrechthaltung des Körpers. Es besteht aus länglichen Zellen oder Fasern, die sich zusammenziehen (kontrahieren) können. Muskelzellen liegen typischerweise dicht an dicht und werden reichlich mit Blut versorgt, das den Sauerstoff und die Nährstoffe herbeischafft, die für die Freisetzung der zur Kontraktion benötigten Energie erforderlich sind.

Ist Nervengewebe besonders reizvoll?

Ja, denn das Nervengewebe ist der Verbund der Nervenzellen, die im Organismus der Wahrnehmung und Weiterleitung von Reizen dienen. Nervengewebe setzt sich aus zwei Zellformen zusammen, nämlich den Neuronen und Gliazellen. Die Neuronen erzeugen elektrische Impulse, die sie mit Höchstgeschwindigkeit weiterleiten. Gliazellen oder Stützzellen stützen und versorgen die Neuronen. Nervengewebe findet sich im Gehirn, im Rückenmark und in den Nerven.

Wozu dient Gewebeflüssigkeit?

Gewebeflüssigkeit (interstitielle Flüssigkeit oder Flüssigkeit des Interzellularraums) »umspült« die Zellen und garantiert ihnen ein stabiles und nährendes Medium. Sie umgibt alle gewebebildenden Zellen. Diese erhalten hierüber optimale Lebens- und Arbeitsbedingungen, denn Temperatur, pH-Wert (Säure- oder Basenwert) und chemische Zusammensetzung der Gewebeflüssigkeit werden im Interesse des ausgeglichenen inneren Milieus, der Homöostase, stets konstant gehalten.

Die Gewebeflüssigkeit besteht zum großen Teil aus Wasser und darin gelösten Substanzen wie Glucose, Hormone oder Sauerstoff. Sie wird aus dem Blut in das die Zellen umgebende Gewebe gepresst und ermöglicht die Aufnahme der benötigten Substanzen aus der Gewebeflüssigkeit und die Abgabe von Abfallprodukten wie das Kohlendioxid.

Wachstum: Rasante Produktion

Wachsen unsere Zellen, wenn wir größer werden?

Nur bedingt. Größer und schwerer werden wir vor allem aufgrund der Vermehrung der Körperzellen durch Teilung und weniger durch ihre Größenzunahme. Wachstum kann auch dadurch entstehen, dass Material zwischen den Zellen des Gewebes eingelagert wird. Die Zeit schnellsten Wachstums fällt in die Zeit vor unserer Geburt, nämlich in die embryonale und fetale Entwicklung. Im Lauf seines Lebens erfährt ein Mensch mehrere Wachstumsphasen, am stärksten wächst er jedoch in der frühesten Kindheit und in der Adoleszenz.

Mit wie vielen Zellen beginnt das menschliche Leben?

Es beginnt mit einer einzigen Zelle. Das ist die befruchtete Eizelle, auch Zygote genannt. Durch vielfach wiederholte Zellteilung – der Prozess wird als Mitose bezeichnet – entstehen aus diesem befruchteten Ei schließlich Milliarden von Zellen. Wachstum beruht auf der Teilung, Differenzierung und Entwicklung von Zellen. Der wenige Tage nach der Befruchtung vorliegende Zellverband besteht noch aus scheinbar identischen Zellen. Innerhalb weniger Tage jedoch beginnen sich die Zellen zu verändern. Dieser Vorgang heißt Differenzierung. Die Zellen, von unseren Genen gesteuert, organisieren sich zu bestimmten Geweben, Organen und Körpersystemen, was zu einer Veränderung der Körperform und zu komplexeren Strukturen führt. Diese sich mit der Zeit ergebenden Veränderungen werden insgesamt als Entwicklung bezeichnet.

Wodurch wird das Wachstum gesteuert?

Das fetale Wachstum sowie das Wachstum von der Geburt an bis ins frühe Erwachsenenalter werden von einem höchst komplizierten Zusammenspiel von unterschiedlichen bestimmenden Faktoren gesteuert. Dazu gehören neben zahlreichen Umweltfaktoren vor allem unsere Gene und besondere Hormone.

Das gesamte Wachstumspotenzial eines Kindes wird zunächst durch das von den Eltern vererbte genetische Material bestimmt. Sind die Eltern hochgewachsen, so werden aufgrund der vererbten Gene die Kinder wohl auch groß werden. Diese genetische Botschaft liegt verschlüsselt in den einzelnen Anweisungen oder Genen in jeder einzelnen Körperzelle.

Für das menschliche Wachstum sind aber auch Hormone wichtig, die jedoch nicht immer in derselben Lebensphase das Wachstum stimulieren. Eine Über- oder Unterproduktion dieser Hormone, ob durch einen genetischen Defekt oder durch eine Erkrankung verursacht, kann sich auf das Wachstum auswirken.

Schließlich beeinflussen Umweltfaktoren das Wachstum. Dazu gehören unsere Ernährung sowie die allgemeine körperliche und seelische Gesundheit. Fehlernährung, chronische Erkrankungen in der Kindheit sowie durch körperlichen und seelischen Missbrauch hervorgerufener Stress können zu einer Wachstumsverzögerung führen.

Wie lange leben Zellen?

Die meisten Zellen haben eine genetisch vorherbestimmte Lebensdauer. Manche Zellen funktionieren ein ganzes Leben lang, ohne sich zu teilen. Andere teilen und vermehren sich unentwegt. Die Zellen des Dünndarmepithels leben nur wenige Tage; reife rote Blutkörperchen zirkulieren etwa 120 Tage im Körper, dann werden sie ersetzt. Das Sterben einer Zelle kann Teil eines Entwicklungsprozesses oder ein Mittel zur Beseitigung unerwünschter Zellen sein. Auch überalterte und beschädigte Zellen werden so ersetzt.

Kann beschädigtes Gewebe repariert werden?

Ja. Gewebe besitzen – unterschiedlich stark – die Fähigkeit zur Heilung und Regeneration. Epithelgewebe wie das der oberen Hautschicht, dessen Zellen vergleichsweise wenig spezialisiert sind und sich rasch teilen, können sich auch schnell regenerieren. Binde- und Stützgewebe, das wie das Knochengewebe gut mit Blut versorgt wird, regeneriert sich rascher und vollständiger als schlechter durchblutetes Bindegewebe wie Knorpel. Hochspezialisierte und -differenzierte Gewebearten beim erwachsenen Organismus – beispielsweise Muskel- und Nervengewebe – sind nicht regenerationsfähig.

Wussten Sie, dass …

in jeder Sekunde mehrere Millionen Zellen zugrunde gehen und ebenso viele neu gebildet werden?

das endgültige Längenwachstum und Körpergewicht des Erwachsenen bei Frauen im Alter von 17 bis 19 Jahren erreicht wird? Bei Männern liegt das Alter zwischen 19 und 21 Jahren.

die zu den weißen Blutkörperchen gehörenden Lymphozyten eine Lebenserwartung von mehreren Jahrzehnten haben? Ihre besondere Funktion ist die Identifizierung und Beseitigung von Bakterien und anderen Krankheitserregern über größere Zeiträume hinweg.

niedere Tiere ganze Körperteile oder Gliedmaßen regenerieren können? Das ist beim Menschen nicht möglich.

der bisher älteste Mensch eine Französin war? Sie wurde 122 Jahre alt.

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