Zelle: Biologie, Struktur, Typen

Epithelzellen

Epithelzellen bilden das Epithelgewebe, das die äußeren und inneren Oberflächen des Körpers bedeckt. Diese Zellen haben verschiedene Aufgaben je nach ihrem Standort und ihrer Struktur:

• Schutz
  ➜ Epithelzellen schützen die darunter liegenden Gewebe vor mechanischen Schäden, chemischen Einflüssen und pathogenen Mikroorganismen.
• Sekretion
  ➜ Sie sind an der Sekretion von Substanzen wie Schleim, Hormonen, Enzymen und Schweiß beteiligt.
• Absorption
  ➜ Epithelzellen im Darmtrakt absorbieren Nährstoffe aus der Nahrung.
• Sinnesfunktionen
  ➜ Spezialisierte Epithelzellen nehmen Sinnesreize auf, z.B. Geschmack, Geruch und Berührung.

Bindegewebszellen

Bindegewebszellen unterstützen und verbinden andere Gewebe und Organe. Die Haupttypen sind:

• Fibroblasten
  ➜ Diese Zellen produzieren Kollagen und andere Fasern, die die Struktur des Bindegewebes bilden.
• Adipozyten
  ➜ Auch Fettzellen genannt, speichern sie Energie in Form von Fett und isolieren den Körper.
• Chondrozyten
  ➜ Diese Zellen bilden das Knorpelgewebe und sind wichtig für die Flexibilität und Struktur von Gelenken.
• Osteozyten
  ➜ Diese Zellen sind in die Knochenmatrix eingebettet und spielen eine Rolle bei der Erhaltung und Reparatur von Knochen.

Muskelzellen

Muskelzellen sind spezialisiert auf Kontraktion und Bewegung. Es gibt drei Haupttypen:

• Skelettmuskelzellen
  ➜ Diese Zellen sind für die bewusste Bewegung des Körpers verantwortlich. Sie sind langgestreckt, mehrkernig und haben eine gestreifte Struktur.
• Herzmuskelzellen
  ➜ Diese Zellen bilden das Herz und sind für die rhythmische Kontraktion verantwortlich, die das Blut durch den Körper pumpt. Sie haben ebenfalls eine gestreifte Struktur, aber auch spezielle Verbindungen, die Interkalarscheiben, die die Zellen miteinander verbinden.
• Glatte Muskelzellen
  ➜ Diese Zellen befinden sich in den Wänden von inneren Organen wie Magen, Darm und Blutgefäßen und ermöglichen unwillkürliche Bewegungen wie die Peristaltik.

Nervenzellen (Neuronen)

Neuronen sind auf die Übertragung von Nervensignalen spezialisiert. Sie bestehen aus einem Zellkörper, Dendriten und einem Axon:

• Zellkörper
  ➜ Enthält den Zellkern und ist für das Überleben der Zelle verantwortlich.
• Dendriten
  ➜ Empfangen Signale von anderen Neuronen und leiten sie zum Zellkörper weiter.
• Axon
  ➜ Ein langer Fortsatz, der elektrische Signale vom Zellkörper zu anderen Neuronen, Muskeln oder Drüsen überträgt.

Blutzellen

Blutzellen sind für den Transport von Sauerstoff, Nährstoffen, Abfallstoffen und Immunabwehr verantwortlich. Die Haupttypen sind:

• Erythrozyten (rote Blutkörperchen)
  ➜ Diese Zellen transportieren Sauerstoff von der Lunge zu den Geweben und Kohlendioxid zurück zur Lunge.
• Leukozyten (weiße Blutkörperchen)
  ➜ Sie sind Teil des Immunsystems und helfen bei der Abwehr von Infektionen. Es gibt verschiedene Untertypen wie Lymphozyten, Neutrophile und Makrophagen.
• Thrombozyten (Blutplättchen)
  ➜ Diese Zellen sind für die Blutgerinnung und Wundheilung verantwortlich.

Stammzellen

Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die sich in verschiedene spezialisierte Zelltypen differenzieren können. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung, Reparatur und Erneuerung von Geweben.

• Embryonale Stammzellen
  ➜ Diese Zellen können sich in praktisch jeden Zelltyp des Körpers differenzieren und sind daher pluripotent.
• Adulte Stammzellen
  ➜ Diese Zellen kommen in verschiedenen Geweben vor und sind multipotent, das heißt, sie können sich in eine begrenzte Anzahl von Zelltypen differenzieren.

Sinneszellen

Sinneszellen sind spezialisierte Zellen, die sensorische Informationen aufnehmen und an das Nervensystem weiterleiten. Dazu gehören:

• Fotorezeptoren
  ➜ Diese Zellen in der Netzhaut des Auges reagieren auf Licht und ermöglichen das Sehen.
• Haarzellen
  ➜ Diese Zellen im Innenohr nehmen Schallwellen wahr und sind für das Hören verantwortlich.
• Riechzellen
  ➜ Diese Zellen in der Nasenschleimhaut reagieren auf Geruchsstoffe und ermöglichen das Riechen.

Geschlechtszellen

Spermien (Samenzellen)

Spermien sind die männlichen Geschlechtszellen, die im Hoden produziert werden. Sie sind klein, beweglich und darauf spezialisiert, die Eizelle zu befruchten. Die Struktur eines Spermiums besteht aus drei Hauptteilen:

• Kopf
  ➜ Enthält den Zellkern mit dicht gepackter DNA und die Akrosomenkappe, die Enzyme enthält, die notwendig sind, um die Eizellmembran zu durchdringen.
• Mittelstück
  ➜ Enthält Mitochondrien, die die Energie für die Bewegung des Spermiums liefern.
• Schwanz (Flagellum)
  ➜ Ermöglicht die Bewegung des Spermiums durch Peitschenschlag.

Eizellen

Eizellen sind die weiblichen Geschlechtszellen, die in den Eierstöcken produziert werden. Sie sind groß und enthalten viele Nährstoffe, die für die frühe Entwicklung des Embryos notwendig sind. Die Struktur einer Eizelle umfasst:

• Zellkern
  ➜ Enthält die haploide DNA.
• Zytoplasma
  ➜ Reich an Nährstoffen und Organellen, die für die frühe Embryonalentwicklung wichtig sind.
• Zona Pellucida
  ➜ Eine glycoproteinreiche Hülle, die die Eizelle umgibt und eine Rolle bei der Spermienbindung und Befruchtung spielt.
• Corona Radiata
  ➜ Eine Schicht von Follikelzellen, die die Eizelle umgeben und Schutz und Nährstoffe liefern.

Zellzyklus und Zellteilung

Der Zellzyklus ist der Prozess, durch den eine Zelle wächst, ihre DNA repliziert und sich schließlich teilt. Der Zellzyklus besteht aus mehreren Phasen:

• G1-Phase (Gap 1)
  ➜ Die Zelle wächst und bereitet sich auf die DNA-Replikation vor.
• S-Phase (Synthese)
  ➜ Die DNA wird repliziert, sodass jede Tochterzelle eine vollständige Kopie des genetischen Materials erhält.
• G2-Phase (Gap 2)
  ➜ Die Zelle wächst weiter und bereitet sich auf die Mitose vor.
• M-Phase (Mitose)
  ➜ Die Zelle teilt sich in zwei Tochterzellen. Die Mitose besteht aus mehreren Schritten:
  • Prophase: Die Chromosomen kondensieren und werden sichtbar.
  • Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Mitte der Zelle an.
  • Anaphase: Die Schwesterchromatiden werden getrennt und zu den entgegengesetzten Polen der Zelle gezogen.
  • Telophase: Die Chromosomen dekondensieren, und neue Kernhüllen bilden sich.
  • Zytokinese: Das Zytoplasma wird geteilt, und zwei neue Tochterzellen entstehen.

Proteinbiosynthese

Die Proteinbiosynthese ist der Prozess, durch den Zellen Proteine herstellen, die für die Struktur und Funktion der Zelle unerlässlich sind. Dieser Prozess umfasst zwei Hauptschritte:

• Transkription
  ➜ Die DNA wird in mRNA umgeschrieben. Dieser Vorgang findet im Zellkern statt und umfasst die Bindung von RNA-Polymerase an die DNA, um eine mRNA-Kopie des Gens zu erzeugen.
• Translation
  ➜ Die mRNA wird in eine Aminosäuresequenz übersetzt, die das Protein bildet. Dies geschieht in den Ribosomen im Zytoplasma. tRNA-Moleküle bringen spezifische Aminosäuren zu den Ribosomen, wo die mRNA gelesen und die Aminosäuren zu einem Protein zusammengesetzt werden.

Zelluläre Atmung

Zellen erzeugen Energie durch die Zellatmung, einen mehrstufigen Prozess, der in den Mitochondrien stattfindet und die Energie aus Glukose in Form von ATP (Adenosintriphosphat) speichert. Die Zellatmung umfasst drei Hauptphasen:

• Glykolyse
  ➜ Glukose wird im Zytoplasma in Pyruvat umgewandelt, wobei ATP und NADH erzeugt werden.
• Zitronensäurezyklus (Krebs-Zyklus)
  ➜ Pyruvat wird in den Mitochondrien weiter abgebaut, wobei weitere NADH und FADH2 sowie ATP produziert werden.
• Elektronentransportkette und oxidative Phosphorylierung
  ➜ NADH und FADH2 liefern Elektronen an die Atmungskette in den inneren Mitochondrienmembranen, was zur Erzeugung eines Protonengradienten führt, der ATP durch ATP-Synthase produziert.

Zellkommunikation und Signaltransduktion

Zellen kommunizieren miteinander und mit ihrer Umgebung durch chemische Signale, die spezifische Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte:

• Signalaufnahme
  ➜ Ein Signal (z.B. Hormon oder Neurotransmitter) bindet an einen Rezeptor auf der Zellmembran.
• Signalübertragung
  ➜ Der Rezeptor aktiviert eine Signalkaskade im Zellinneren, oft durch die Aktivierung von Proteinen und sekundären Botenstoffen wie cAMP oder Ca2+.
• Reaktion
  ➜ Die Signalkaskade führt zu einer spezifischen zellulären Reaktion, wie Genexpression, Veränderung der Zellstoffwechselrate oder Zellbewegung.

Zelltod: Apoptose und Nekrose

Zellen können auf zwei Hauptarten sterben: durch Apoptose oder Nekrose.

• Apoptose (programmierter Zelltod)
  ➜ Ein kontrollierter Prozess, bei dem Zellen geordnet abgebaut werden, um beschädigte oder unnötige Zellen zu entfernen, ohne Entzündungen zu verursachen. Dieser Prozess umfasst die Aktivierung von Caspasen und die Fragmentierung der DNA.
• Nekrose
  ➜ Ein ungeplanter Zelltod, der durch äußere Schäden wie Verletzungen oder Infektionen verursacht wird und oft zu Entzündungen und Gewebeschäden führt.

Zellmigration und Zelladhäsion

Zellen können sich innerhalb des Körpers bewegen und an spezifischen Stellen anhaften, was für die Entwicklung, das Immunsystem und die Wundheilung wichtig ist.

• Zellmigration
  ➜ Zellen bewegen sich durch eine Reihe von koordinierten Veränderungen im Zytoskelett, insbesondere durch die Polymerisation von Aktinfilamenten.
• Zelladhäsion
  ➜ Zellen haften aneinander und an der extrazellulären Matrix durch Zelladhäsionsmoleküle wie Cadherine und Integrine, die strukturelle Integrität und Signalübertragung unterstützen.

Krebs

Krebs entsteht durch unkontrollierte Zellteilung und das Versagen der Mechanismen, die das Zellwachstum regulieren. Dies führt zur Bildung von Tumoren und Metastasen.

Infektionskrankheiten

Infektionskrankheiten werden durch pathogene Mikroorganismen wie Bakterien, Viren und Pilze verursacht, die Zellen infizieren und schädigen können.

Autoimmunerkrankungen

Bei Autoimmunerkrankungen greift das Immunsystem irrtümlich körpereigene Zellen an, was zu Entzündungen und Gewebeschäden führt.