Zellen: Grundbausteine aller Lebewesen

Sind alle Zellen gleich?

Nein – aber der grundlegende Bauplan ist bei allen Zellen gleich: Sie bestehen aus dem Zellleib und dem Zellkern. Eine Ausnahme bilden lediglich die einzelligen Prokaryonten (Bakterien und Archaea); sie haben keinen echten Zellkern. Große Unterschiede gibt es dagegen in Form und Struktur von Zellen. Sie resultieren vor allem aus der spezifischen Funktion, die eine Zelle in einem Organismus übernehmen kann. So besitzt eine Nervenzelle – entsprechend ihrer Aufgabe, Reize aufzunehmen und weiterzuleiten – einen völlig anderen Feinbau als eine für Bewegung zuständige Muskelzelle. Pflanzliche und tierische Zellen, zu denen biologisch auch die Zellen des Menschen zählen, unterscheiden sich in vielen wichtigen Merkmalen. Der größte Unterschied ist sicherlich die Fähigkeit der Pflanzenzellen, durch Fotosynthese aus Kohlendioxid und Wasser neue organische Substanz aufzubauen.

Es gibt aber eine wichtige Gemeinsamkeit von Pflanzen- und Tierzellen, die sich zum Teil auch schon bei den Bakterien findet: Alle diese Zellen enthalten sog. Organellen, die im komplexen Zellstoffwechsel jeweils bestimmte Aufgaben übernehmen – so wie die Organe Herz, Lunge oder Magen in einem vielzelligen Organismus für Kreislauf, Atmung bzw. Nahrungsverwertung zuständig sind.

Haben Zellen ein Gehirn?

Ja. Die im Zellkern enthaltenen Gene steuern alle wichtigen Funktionen einer Zelle – ähnlich wie das Gehirn die Lebensvorgänge in Mensch und Tier überwacht.

Der auch »Nucleus« genannte Zellkern ist das Steuerzentrum der Zelle. Die Zellflüssigkeit (das »Plasma«) in seinem Inneren ist durch eine doppelte Membran, die Kernhülle, vom übrigen Zellplasma abgetrennt. Nur über winzige Kernporen werden Stoffe zwischen dem Inneren des Zellkerns und der übrigen Zellsubstanz ausgetauscht, wobei dieser Austausch einer strengen Kontrolle unterliegt. Der Zellkern enthält die Chromosomen, welche die Gene, also die Erbinformation tragen, sowie mehrere Kernkörperchen. Die Chromosomen sind jedoch nur während der Zellteilung zu erkennen, sonst erscheinen sie als unstrukturierte Masse, die als Chromatin bezeichnet wird. Der Name rührt vom griechischen Wort für Farbe, chroma, her. Diesen Namen erhielten Chromosomen und Chromatin, weil sie bei den mikroskopischen Forschungen im 19. Jahrhundert besonders gut anzufärben waren (solchen Färbversuchen verdanken sie auch ihre Entdeckung).

Was ist das Kraftwerk einer Zelle?

Eine Organelle mit Namen »Mitochondrium« versorgt die übrigen Zellkomponenten einer Tier- oder Pflanzenzelle mit Energie. Die chemischen Prozesse, die dabei im Mitochondrium ablaufen, ähneln denen in einem Verbrennungsmotor: Kohlenstoffhaltige Moleküle werden mit Sauerstoff verbunden, wodurch Energie freigesetzt wird. Man spricht daher auch von einer »kalten Verbrennung«. Ein anderer Name hierfür ist »Zellatmung«, denn genau hier wird der über die Lunge aufgenommene Sauerstoff verbraucht bzw. veratmet. Mitochondrien sind von zwei Membranen umgeben. Im Gegensatz zur äußeren, glatten Membran zeigt die innere zahlreiche Einfaltungen. Dadurch erhält die Innenmembran, an der die Zellatmung stattfindet, eine extrem große Oberfläche. Die Anzahl der Mitochondrien in einer Zelle hängt von der Funktion ab, die diese in einem Organismus übernimmt: Leberzellen beispielsweise, die für ihre Tätigkeit besonders viel Energie benötigen, enthalten über 1000 Mitochondrien, manche Algenzellen dagegen nur ein einziges.

Mit den Mitochondrien vergleichbar, aber in gewissem Sinne auch deren Gegenspieler sind die Chloroplasten. Diese Zellorganellen kommen ausschließlich in Pflanzenzellen vor. Sie sind ebenfalls von einer Doppelmembran umgeben, deren innere stark eingestülpt ist. Dort findet die Fotosynthese statt, der Prozess, bei dem Kohlendioxid verbraucht und Sauerstoff frei wird und durch den neues organisches Baumaterial zusammengesetzt wird.

Welche Zellbestandteile setzen die Bauanleitung der Gene um?

Kleine Körnchen namens Ribosomen, die sich unter anderem in einem innerzellulären Membransystem befinden, dem endoplasmatischen Reticulum (frei übersetzt »Netzwerk im Zellplasma«). Ribosomen fischen sich aus dem Plasma Botenmoleküle heraus, die Abschriften des genetischen Codes enthalten. Je nachdem, in welcher Reihenfolge darin dessen »Buchstaben« angeordnet sind, werden vom Ribosom Aminosäuren zu Ketten verbunden, die sich zu Eiweißmolekülen (auch Proteine genannt) zusammenlagern. Proteine sind die wichtigsten Bausteine aller Zellen und Organismen.

Das endoplasmatische Reticulum ist den Forschern schon früh durch seine Gestalt aufgefallen: Es besteht aus einem System von Membranen, Röhren, Kanälen und Blasen, die das gesamte Zellinnere durchziehen. Seine Strukturen gehen von der äußeren Kernmembran aus und erstrecken sich in vielen Schleifen und Windungen bis zur Zellmembran. Das Reticulum dient neben dem Aufbau und der Weiterverarbeitung von Proteinen auch dem Stofftransport innerhalb der Zelle. Die mit Ribosomen besetzten Abschnitte werden auch als raues endoplasmatisches Reticulum bezeichnet. Ribosomenfreie Teile heißen glattes endoplasmatisches Reticulum. Sie sind z. B. in der Leber für den Abbau von Giftstoffen zuständig.

Wie vermehren sich Zellen?

Die meisten einzelligen Lebewesen und – mit Ausnahme der Geschlechtszellen – auch alle Zellen von Vielzellern vermehren sich durch Teilung.

Damit eine Zelle sich teilen, d. h. zwei Tochterzellen bilden kann, müssen zunächst alle ihre Bestandteile so vermehrt werden, dass sie in ausreichender Zahl für beide Tochtergebilde vorliegen. Für die Zellorganellen, von denen eine Zelle gewöhnlich eine große Zahl besitzt, genügt es, wenn ihre Anzahl erhöht und dann in etwa gleich großer Menge auf die Tochterzellen verteilt wird. Die Erbsubstanz jedoch, die im Zellkern enthalten ist, muss exakt verdoppelt und genau auf die beiden Töchter aufgeteilt werden. Deshalb geht der eigentlichen Zellteilung eine Phase voraus, in der die Zellen stark wachsen und die Erbinformation verdoppelt wird. Dieser Abschnitt des Zellzyklus wird als Interphase bezeichnet. Die Interphase beansprucht die meiste Zeit innerhalb des Zyklus, bei der Bildung von Blutzellen zum Beispiel 12 der insgesamt 13 Stunden.

In der sich anschließenden Mitosephase findet dann die Teilung der Zelle statt. Den größten Teil hiervon nimmt die Kernteilung (Mitose) ein, bei der die Erbsubstanz auf die beiden entgegengesetzten Enden oder Pole der Zelle verteilt wird. Hierbei macht sich die Zelle zunutze, dass in den Chromosomen die Erbinformation doppelt vorliegt: Erst wird je ein Satz Gene an jeden Zellpol gebracht, dann werden sie wieder zu einem kompletten, also doppelten Chromosomensatz ergänzt. Erst wenn die Kernteilung abgeschlossen ist, setzt die eigentliche Zellteilung ein, und die beiden Tochterzellen werden vollständig voneinander getrennt.

Diese Form der Vermehrung gilt im Übrigen nur für Körperzellen. Neue Geschlechtszellen entstehen dagegen durch den Prozess der Reduktions- oder Reifeteilung, die sog. Meiose. Hier entfällt bei der Kernteilung die Ergänzung der halbierten Gensätze. Stattdessen verschmelzen zwei Geschlechtszellen unterschiedlicher Organismen, um wieder einen vollständigen Chromosomenbestand zu bilden. Auf diesem Prinzip fußt die geschlechtliche oder sexuelle Fortpflanzung.

Sind Zellen austauschbar?

Nur bedingt, denn obwohl alle Zellen höherer Organismen denselben Grundbauplan haben, sind sie doch oft so spezialisiert, dass keine die Aufgabe der anderen übernehmen kann. Nur bestimmte Zelltypen haben noch die Fähigkeit, verschiedenen Anforderungen gerecht zu werden. Dies gilt vor allem für die Zelltypen, die sich bei Pflanzen finden. Während bei vielen Pflanzen aus einer Blattzelle bei Bedarf Wurzeln wachsen können, kann eine Herzzelle nur neue Herzzellen hervorbringen und würde in Leber oder Gehirn zugrunde gehen.

Der Vorgang, bei dem aus den Zellteilungen während der Embryonalzeit eines Lebewesens verschiedene Zelltypen hervorgehen, heißt Differenzierung. Schon lange vor der Geburt gibt es Knochen-, Nerven-, Leber- und andere Zellen, die sich in ihrer Form wie in ihrer Funktion stark unterscheiden. Die Differenzierung ist ein irreversibler Vorgang, das heißt, sie kann nicht mehr rückgängig gemacht werden.

Aus den jeweils unterschiedlich differenzierten Zellen bauen sich die verschiedenen Gewebe eines Körpers auf. Als Gewebe bezeichnet man einen Verband von Zellen, die eine ähnliche Größe, Struktur und Funktion haben. Zu nennen sind vor allem das Abschluss- und das Bindegewebe. Das Abschlussgewebe begrenzt den Körper nicht nur als Haut nach außen, sondern es kleidet auch die inneren Hohlräume aus, etwa die Blutgefäße oder den Darm. Zum Bindegewebe gehören unter anderem Bänder und Sehnen, aber auch Knorpel- und Knochengewebe, die als Stützgewebe dienen. Außerdem baut das Bindegewebe die Milz und das Knochenmark auf, umhüllt die Muskeln und speichert Fett.

Was haben Organismus und Staatswesen gemein?

Den Aufbau aus immer feiner gegliederten Untereinheiten. So wie unser Staatswesen im Grundgesetz in die Bundesländer unterteilt wird und diese wiederum aus Regierungsbezirken, Landkreisen und Gemeinden bestehen, so hat auch ein Organismus eine vielschichtige Struktur. Der Organismus als höchste Organisationsebene von Tieren und Pflanzen ist durch das Zusammenwirken verschiedener Organe und Organsysteme gekennzeichnet.

Zellen und Gewebe bilden die beiden untersten Organisationsstufen eines Lebewesens. So wie sich viele Zellen zu einem Gewebe zusammenschließen, verbinden sich verschiedene Gewebeschichten zu einem Organ. Während Gewebe jedoch aus gleichartigen Zellen bestehen, setzen sich Organe aus unterschiedlichen Geweben zusammen, deren Einzelfunktionen perfekt aufeinander abgestimmt sind. Im Magen beispielsweise befindet sich neben dem Drüsengewebe, das die Verdauungssäfte abgibt, auch Bindegewebe (versorgt den Magen unter anderem mit Blut), Muskelgewebe (sorgt für die Magenbewegungen) und Bauchfellgewebe (schließt den Magen nach außen ab).

Tier und Mensch haben eine Vielzahl von Organen; sie dienen unter anderem der Ernährung, Ausscheidung und Fortpflanzung, der Aufnahme von Sinnesreizen und der Bewegung. Pflanzliche Organe sind zum Beispiel Sprossachse, Wurzel, Laubblätter und Blüten.

Verschiedene Organe, die eine gemeinsame Aufgabe erfüllen, bilden ein Organsystem. Ein pflanzliches Organsystem ist beispielsweise die Blüte. Sie dient der Fortpflanzung und setzt sich zusammen aus den Kronblättern (Anlocken von Insekten zur Bestäubung), den Staubblättern (männliche Geschlechtsorgane, die den Blütenstaub bilden) und den Fruchtblättern (weibliche Geschlechtsorgane, die die Samenanlagen bilden). Zu den tierischen Organsystemen gehören etwa das Verdauungs-, das Nerven- und das Blutkreislaufsystem.