Zytoplasma

Das Zytoplasma setzt sich aus Organellen (oder „Organellen“) mit unterschiedlichen Funktionen zusammen. Zu den wichtigsten Organellen gehören Ribosomen, Vakuolen und Mitochondrien. Jedes Organell hat eine bestimmte Funktion in der Zelle und im Zytoplasma. Das Zytoplasma enthält einen Teil des Genoms des Organismus. Obwohl sich der größte Teil der DNA im Zellkern befindet, verfügen einige Organellen, darunter Mitochondrien oder Chloroplasten, über eine gewisse Menge an DNA.

RibosomenBearbeiten

Struktur eines Ribosoms. Die großen (1) und kleinen (2) Untereinheiten sind miteinander verbunden.

Ribosomen sind zytoplasmatische Granula, die in allen Zellen vorkommen und etwa 20 nm groß sind. Sie tragen auch ribosomale RNA.

Die Proteinsynthese findet an Ribosomen im Zytoplasma statt. Messenger-RNAs (mRNAs) und Transfer-RNAs (tRNAs) werden im Zellkern synthetisiert und dann als separate Moleküle an das Zytoplasma weitergegeben. Die ribosomale RNA (rRNA) gelangt in Form einer ribosomalen Untereinheit in das Zytoplasma. Da es zwei Arten von Untereinheiten gibt, werden die beiden Untereinheiten im Zytoplasma mit mRNA-Molekülen verbunden, um vollständige aktive Ribosomen zu bilden.

Aktive Ribosomen können im Zytoplasma hängen oder an das raue endoplasmatische Retikulum gebunden sein. Ribosomen, die im Zytoplasma schweben, haben die primäre Funktion, die folgenden Proteine zu synthetisieren:

1. Proteine, die Teil des Zytosols werden.
2. Proteine, die strukturelle Elemente bilden.
3. Proteine, die mobile Elemente im Zytoplasma bilden.

Das Ribosom besteht aus zwei Teilen, einer großen und einer kleinen Untereinheit; diese verlassen den Zellkern getrennt. Experimentell lässt sich feststellen, dass sie durch Ladungen zusammengehalten werden, denn wenn die Mg+2-Konzentration sinkt, neigen die Untereinheiten dazu, sich zu trennen.

LysosomenBearbeiten

Lysosomen sind kugelförmige Bläschen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 1 μm. Sie enthalten etwa 50 Enzyme, meist hydrolytische, in saurer Lösung; die Enzyme benötigen diese saure Lösung für eine optimale Funktion. Lysosomen halten diese Enzyme vom Rest der Zelle getrennt und verhindern, dass sie chemisch mit zellulären Elementen und Organellen reagieren.

Lysosomen verwenden ihre Enzyme, um die verschiedenen Organellen der Zelle zu recyceln, indem sie sie verschlingen, verdauen und ihre Bestandteile in das Zytosol freisetzen. Dieser Prozess wird als Autophagie bezeichnet, und die Zelle baut nicht benötigte eigene Strukturen ab. Das Material wird von Vesikeln aus dem endoplasmatischen Retikulum und dem Golgi-Apparat verschlungen und bildet ein Autophagosom. Nach der Bindung an das primäre Lysosom bildet es ein Autophagolysosom und durchläuft den gleichen Prozess wie oben beschrieben.

Bei der Endozytose werden Materialien von außerhalb der Zelle gesammelt und durch Endozytose durch die Plasmamembran verschlungen, wobei ein Phagosom entsteht. Das Lysosom verbindet sich mit dem Phagosom zu einem Phagolysosom und schüttet seinen Inhalt in das Phagosom, wodurch die Substanzen im Phagosom abgebaut werden. Nach der Hydrolyse gelangen die verwertbaren Moleküle in die Zelle, wo sie in die Stoffwechselwege gelangen, und was von der Zelle nicht benötigt wird, wird durch Exozytose außerhalb der Zelle entsorgt.

Lysosomen scheiden ihre Enzyme auch außerhalb der Zelle aus (Exozytose), um andere Materialien weiter abzubauen. In Anbetracht ihrer Funktionen ist ihr Vorkommen in den weißen Blutkörperchen hoch, da sie die Aufgabe haben, eingedrungene Körper abzubauen.

VakuolenBearbeiten

Die Vakuole ist ein von einer Membran umgebener Flüssigkeitssack. In der pflanzlichen Zelle ist die Vakuole eine einzige, größere Vakuole, in der tierischen Zelle hingegen gibt es mehrere, kleinere Vakuolen. Die umgebende Membran wird als Tonoplast bezeichnet. Die pflanzliche Zellvakuole enthält eine Lösung von Mineralsalzen, Zuckern, Aminosäuren und manchmal auch Pigmenten wie Anthocyanen.

Die pflanzliche Vakuole hat mehrere Funktionen:

• Zucker und Aminosäuren können als vorübergehender Nahrungsspeicher dienen.
• Anthocyanen sind Pigmente, die den Blütenblättern Farbe verleihen.
• Sie besitzen in der Regel Enzyme und können die Funktion der Lysosomen übernehmen.

Die Funktion der Vakuolen in der tierischen Zelle besteht darin, als Speicherort für Proteine zu fungieren; diese Proteine werden für eine spätere Verwendung bzw. für den Export aus der Zelle durch den Prozess der Exozytose gespeichert. Bei diesem Prozess verschmelzen die Vakuolen mit der Membran und ihr Inhalt wird aus der Zelle herausbewegt. Die Vakuole kann auch für den Prozess der Endozytose genutzt werden; bei diesem Prozess werden Stoffe von außerhalb der Zelle, die die Membran nicht passieren können, in die Zelle transportiert.

Endoplasmatisches RetikulumBearbeiten

Das endoplasmatische Retikulum ist ein komplexes System und eine Ansammlung von miteinander verbundenen Membranen, die ein zytoplasmatisches Skelett bilden. Sie bilden ein ausgedehntes System von Kanälen und halten Ribosomen zusammen. Ihre Form kann variieren, da ihre Beschaffenheit von der Anordnung der Zellen abhängt, die komprimiert oder locker organisiert sein können.

Bild eines Zellkerns, des endoplasmatischen Retikulums und des Golgi-Apparats.
(1) Kern (2) Kernpore (3) Raues endoplasmatisches Retikulum (RER) (4) Glattes endoplasmatisches Retikulum (REL) (5) Ribosom im RER (6) Transportierte Proteine (7) Vesikel (Transport) (8) Golgi-Apparat (9) Cis-Seite des Golgi-Apparats (10) Trans-Seite des Golgi-Apparats (11) Zisternen des Golgi-Apparats.

Eine Reihe geschlossener Hohlräume von sehr unterschiedlicher Form: abgeflachte Blätter, kugelförmige Bläschen oder gewundene Röhren. Diese kommunizieren miteinander und bilden ein kontinuierliches Netzwerk, das durch die Membran des endoplasmatischen Retikulums vom Hyaloplasma getrennt ist. Der flüssige Inhalt des Zytoplasmas wird daher in zwei Teile unterteilt: den luminalen oder zisteralen Raum innerhalb des endoplasmatischen Retikulums und den zytosolischen Raum, der die Außenseite des endoplasmatischen Retikulums umfasst.

Hauptfunktionen sind:

• Zirkulation von Substanzen, die nicht in das Zytoplasma abgegeben werden.
• Die Funktion als Raum für chemische Reaktionen.
• Synthese und Transport von Proteinen, die von Ribosomen produziert werden, die an ihren Membranen hängen (nur RER).
• Protein-Glykosylierung (nur RER).
• Lipid- und Steroidproduktion (nur REL).
• Bereitstellung eines strukturellen Skeletts zur Erhaltung der Zellform.

Raues endoplasmatisches RetikulumBearbeiten

Wenn die Membran von Ribosomen umgeben ist, nennt man sie das raue endoplasmatische Retikulum (RER). Die Hauptfunktion des RER ist die Proteinsynthese, und genau aus diesem Grund ist es in wachsenden oder Enzyme absondernden Zellen häufiger anzutreffen. In ähnlicher Weise kann eine Schädigung der Zelle zu einem Anstieg der Proteinsynthese führen, und das RER wird gebildet, wobei vorhergesagt wird, dass Proteine benötigt werden, um den Schaden zu reparieren.

Proteine werden umgewandelt und wandern in eine Region des RER, den Golgi-Apparat. In diesen Körpern werden auch andere Makromoleküle als Proteine synthetisiert.

Glattes endoplasmatisches RetikulumBearbeiten

In Abwesenheit von Ribosomen wird es als glattes endoplasmatisches Retikulum (SER) bezeichnet. Seine Hauptfunktion besteht in der Herstellung von Zelllipiden, nämlich Phospholipiden und Cholesterin, die dann Teil der Zellmembranen werden. Die anderen zellulären Lipide (Fettsäuren und Triglyceride) werden im Zytosol synthetisiert, weshalb es in Zellen mit entsprechenden Sekreten, wie z. B. einer Talgdrüse, häufiger vorkommt. In den meisten Zellen ist er jedoch kaum vorhanden.

Golgi-ApparatBearbeiten

Der Golgi-Apparat, benannt nach seinem Entdecker Camillo Golgi, ähnelt in seiner Struktur dem endoplasmatischen Retikulum, ist jedoch kompakter. Es besteht aus scheibenförmigen Membransäcken und befindet sich in der Nähe des Zellkerns.

Ein Dictyosom ist die Bezeichnung für jeden Stapel von Säcken. Sie haben einen Durchmesser von etwa 1 µm und gruppieren etwa 6 Zisternen, obwohl ihre Zahl bei niederen Eukaryoten bis zu 30 betragen kann. In eukaryotischen Zellen ist der Golgi-Apparat je nach Funktion mehr oder weniger entwickelt. In jedem Fall variiert die Anzahl der Dictyosomen von wenigen bis zu zahlreichen.

Schema des Endomembransystems einer eukaryotischen Zelle.

Der Golgi-Apparat besteht aus einer oder mehreren Reihen leicht gekrümmter, abgeflachter Zisternen, die durch Membranen begrenzt sind, und wird als Golgi-Stapel oder Dictyosom bezeichnet. Die Enden jeder Zisterne sind erweitert und von Vesikeln umgeben, die entweder mit diesem Verhalten verschmelzen oder sich durch Gemination von ihm trennen.

Der Golgi-Apparat ist strukturell und biochemisch polarisiert. Es hat zwei verschiedene Gesichter: das cis- oder Bildungsgesicht und das trans- oder Reifungsgesicht. Die cis-Seite befindet sich in der Nähe der Membranen des ER. Ihre Membranen sind dünn und ihre Zusammensetzung ist ähnlich wie die der Retikulummembranen. Um ihn herum befinden sich die Golgi-Vesikel, auch Übergangsvesikel genannt, die aus dem ER hervorgehen. Die trans-Fläche liegt in der Regel in der Nähe der Plasmamembran. Ihre Membranen sind dicker und ähneln der Plasmamembran. Größere Vesikel, die sekretorischen Vesikel, befinden sich auf dieser Seite.

Ihre Funktionen sind vielfältig:

• Modifikation von Substanzen, die im RER synthetisiert werden: Substanzen aus dem RER werden im Golgi-Apparat umgewandelt. Bei diesen Umwandlungen kann es sich um Aggregationen von Kohlenhydratresten handeln, um die endgültige Struktur zu erreichen, oder um die Proteolyse, um die aktive Konformation zu erreichen. Im RER der Azinuszellen der Bauchspeicheldrüse wird beispielsweise Proinsulin synthetisiert, das aufgrund der Umwandlungen, die es im Golgi-Apparat durchläuft, die endgültige Form oder Konformation von Insulin erhält. Die in den Dictyosomen befindlichen Enzyme sind in der Lage, Makromoleküle durch Glykosylierung (Anlagerung von Kohlenhydraten) und Phosphorylierung (Anlagerung von Phosphaten) zu verändern. Zu diesem Zweck transportiert der Golgi-Apparat bestimmte Substanzen wie Nukleotide und Zucker aus dem Zytoplasma in das Organell. Proteine werden auch mit Signalsequenzen versehen, die ihren endgültigen Bestimmungsort bestimmen, z. B. wird Mannose-6-Phosphat an Proteine angefügt, die für Lysosomen bestimmt sind.
• Zur Herstellung von Glykoproteinen, die für die Sekretion benötigt werden, wird dem Protein ein Kohlenhydrat hinzugefügt.
• Um sekretorische Enzyme zu produzieren, wie z.B. Verdauungsenzyme in der Bauchspeicheldrüse: Die Substanzen durchlaufen alle Säckchen des Golgi-Apparats und werden, wenn sie die Transfront des Dictyosoms erreichen, in Form von sekretorischen Vesikeln zu ihrem Bestimmungsort außerhalb der Zelle transportiert, indem sie die Zytoplasmamembran durch Exozytose passieren. Ein Beispiel dafür sind die Proteoglykane, aus denen die extrazelluläre Matrix von Tieren besteht. Der Golgi-Apparat ist das Organell der wichtigsten Kohlenhydratsynthese. Dies wird von Enzymen im Golgi über einen Xylose-Rest erledigt. Eine andere Möglichkeit, ein Protein zu markieren, ist die Sulfatierung einer Sulfotransferase, die ein Schwefelmolekül von einem Donor namens PAPS erhält. Dieser Prozess findet sowohl in den GAGs der Proteoglykane als auch in den Proteinkernen statt. Dieser Sulfatierungsgrad ist sehr wichtig für die Markierungsfunktionen der Proteoglykane und verleiht dem Proteoglykan eine negative Nettoladung.
• Segregation von Kohlenhydraten, wie sie zur Wiederherstellung der Zellwand verwendet werden.
• Transport und Speicherung von Lipiden.
• Bildung primärer Lysosomen.

Skizze eines Mitochondriums. (1) innere Membran (2) äußere Membran (3) Intermembranraum (4) Matrix.

MitochondrienBearbeiten

Mitochondrien sind ein Organell, das in allen eukaryontischen Zellen vorkommt, obwohl es in hochspezialisierten Zellen fehlen kann. Die Anzahl der Mitochondrien variiert je nach Zelltyp, und ihre Größe liegt im Allgemeinen zwischen 5 μm Länge und 0,2 μm Breite.

Sie sind von einer Doppelmembran umgeben. Die äußere Membran kontrolliert die Bewegung von Substanzen in und aus der Zelle und trennt die Organelle vom Hyaloplasma. Die äußere Membran enthält spezielle Transportproteine, die den Übergang von Molekülen aus dem Zytosol in den Intermembranraum ermöglichen.

Mitochondrienmembranen bestehen aus Phospholipiden und Proteinen. Beide Materialien sind miteinander verbunden und bilden ein Lipid-Protein-Reticulum. Mitochondrien haben unterschiedliche Funktionen:

• Oxidation von Pyruvat zu CO2m, gekoppelt mit der Reduktion der elektronischen Ladungsträger nad+ und fad (zu nadh und fadh2)
• Übertragung von Elektronen von nadh und fadh2 auf o2, gekoppelt mit der Erzeugung von protonenmotiver Kraft
• Nutzung der im elektrochemischen Protonengradienten gespeicherten Energie zur ATP-Synthese durch den f1 f0-Komplex.

Die innere Membran ist zur Mitte hin gefaltet, wodurch Ausläufer entstehen, die Cristae genannt werden und sich teilweise über die gesamte Länge der Organelle erstrecken. Ihre Hauptfunktion besteht darin, dass sie in erster Linie der Bereich sind, in dem die Atmungsprozesse stattfinden. Die Oberfläche dieser Cristae weist entlang ihrer Länge Granula auf.

Der Raum zwischen den beiden Membranen ist der Intermembranraum. Der Rest des Mitochondriums ist die Matrix. Es ist ein halbsteifes Material, das Proteine, Lipide und wenig DNA enthält.

MatrixEdit

Die Matrix besteht aus einer Zusammensetzung von halbflüssigem Material. Sie hat eine gelartige Konsistenz aufgrund einer hohen Konzentration an wasserlöslichen Proteinen, besteht zu 50 % aus Wasser und enthält:

• Doppelzirkuläre DNA-Moleküle (die mitochondriale DNA), die Informationen für die Synthese einer Reihe von mitochondrialen Proteinen enthalten.
• Mitochondriale RNA-Moleküle, die die Mitorribosomen bilden, die sich vom Rest der zellulären Ribosomen unterscheiden.
• Ribosomen (die Mitorribosomen), die sich sowohl frei als auch an der inneren Mitochondrienmembran befinden. Sie ähneln den bakteriellen Ribosomen.
• Ionen, Kalzium und Phosphat, ADP, ATP, Coenzym-A und eine große Anzahl von Enzymen.

Innere MembranBearbeiten

Diese Mitochondrienmembran hat eine größere Oberfläche durch mitochondriale Rippen. Sie ist reicher an Proteinen als andere Zellmembranen. Seine Lipide enthalten kein Cholesterin und sind reich an einem seltenen Phospholipid, dem Cardiolipin.

Seine Proteine sind vielfältig, zeichnen sich aber durch folgende Merkmale aus:

• Die Proteine, die die Kette bilden, die Elektronen zu molekularem Sauerstoff transportiert (Atmungskette)
• Ein Enzymkomplex, die ATP-Synthase, der die ATP-Synthese katalysiert und aus drei Teilen besteht: Eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 9 nm. Es ist der katalytische Teil des Komplexes und wird F-Faktor genannt.
• Transporterproteine, die es Ionen und Molekülen ermöglichen, die innere Mitochondrienmembran zu passieren, die für den Ionendurchgang ziemlich undurchlässig ist.

AußenmembranBearbeiten

Die Außenmembran der Mitochondrien ähnelt anderen Zellmembranen, insbesondere der des endoplasmatischen Retikulums. Zu ihren Bestandteilen gehören:

• Proteine, die große „wässrige Kanäle oder Porine“ bilden, die sie im Gegensatz zur inneren Mitochondrienmembran sehr durchlässig machen.
• Enzyme, z. B. solche, die Fettsäuren für die Oxidation in der Matrix aktivieren.

IntermembranraumBearbeiten

Seine Zusammensetzung ist ähnlich wie die des Hyaloplasmas. Zu den Funktionen gehören:

• Respiratorische Oxidationen.
• Mitochondriale Proteinsynthese. Diese Funktion wird auf die gleiche Weise wie die Proteinsynthese im Hyaloplasma ausgeführt.

PeroxisomenBearbeiten

Grundstruktur eines Peroxisoms.

Peroxisomen (oder Mikrokörperchen) sind kugelförmige, membrangebundene Körper mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,5 μm. Sie werden durch Knospung aus dem glatten endoplasmatischen Retikulum gebildet. Sie sind nicht nur körnig, sondern haben auch keine innere Struktur. Sie besitzen eine Reihe metabolisch wichtiger Enzyme, insbesondere das Enzym Katalase, das den Abbau von Wasserstoffperoxid katabolisiert. Aus diesem Grund werden sie Peroxisomen genannt. Die Zersetzung von Wasserstoffperoxid wird in einer Gleichung dargestellt.

H 2 O 2 + R ′ H 2 ⟶ R ′ + 2 H 2 O {displaystyle H_{2}O_{2}+R’H_{2}{2}longrightarrow R’+2H_{2}O}