1 Grundlagen der Anatomie und Physiologie

Dominik von Hayek

1.1 Zelle als Grundbaustein

Der Körper eines erwachsenen Menschen besteht aus bis zu 10 Billionen (= 10 000 000 000 000) Zellen. Um ihre speziellen Funktionen zu erfüllen, haben die Zellen ein sehr unterschiedliches Aussehen und schließen sich jeweils zu Zellverbänden, dem Gewebe, zusammen. Trotz ihrer unterschiedlichen Formen findet man bei allen Zellen aber gemeinsame Bestandteile (▶ Abb. 1.1).

Die Zellmembran grenzt die Zelle nach außen ab und umschließt das Zytoplasma, den Zellinhalt mit Zellwasser (Zytosol). Neben anderen Zellorganellen spielt der Zellkern eine wichtige Rolle: Er steuert den Zellstoffwechsel und die Vererbung.

1.1.1 Zellmembran und Zytoplasma

Zellmembran Die Zellmembran bildet die Hülle um den Zellleib (▶ Abb. 1.2). Sie ist die Grundvoraussetzung für ein eigenes Zellleben. Sie trennt das Zellinnere vom „Außen“. Für die Funktion und das Überleben der Zelle ist es unerlässlich, dass diese Schutzhülle nicht starr und undurchlässig, sondern flexibel und für bestimmte Stoffe durchlässig ist. Sie besteht aus 2 Schichten mit Fettmolekülen (Phospholipiden) und enthält spezielle Kanäle (Carrier-Proteine), die je nach Bedarf Stoffe in die Zelle hinein bzw. wieder heraustransportieren. In der Zellmembran findet man auch Rezeptoren, an die sich nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip jeweils passende Botenstoffe (z. B. Hormone) binden können, siehe ▶ Abb. 1.12. Die Zelle kann so Informationen aus dem gesamten Körper erhalten und sich als Antwort darauf verändern. Das Hormon Insulin z. B. bindet an Rezeptoren in der Zellmembran und bewirkt eine Aufnahme von Zucker in die Zellen. Die Funktion der Zellmembran besteht also gleichzeitig im Schutz vor der äußeren Umgebung und der Verbindung der Zelle nach außen.

Zytoplasma Im Zellinneren (Zytoplasma) befindet sich neben den Zellorganellen die Zellflüssigkeit (Zytosol). Sie besteht zum überwiegenden Teil aus Wasser, in dem zahlreiche Moleküle wie Elektrolyte, Eiweiße, Fette und Kohlenhydrate gelöst sind. Das Zytoplasma dient dem Stoff- und Informationsaustausch innerhalb der Zelle. Durch die unterschiedliche Durchlässigkeit der Zellmembran und aktive Transportprozesse (z. B. „Elektrolyt-Pumpen“) können für viele Stoffe Konzentrationsunterschiede zwischen dem Zellinneren und der Zellumgebung aufrechterhalten werden.

1.1.2 Zellorganellen

Im Zellinneren befinden sich die Zellorganellen. Dies sind kleinste Zellorgane, die jeweils ganz bestimmte Aufgaben haben und je nach der Zellfunktion unterschiedlich verteilt sind. Man unterscheidet

• Mitochondrien,

• Ribosomen,

• endoplasmatisches Retikulum,

• Zytoskelett,

• Golgi-Apparat,

• Zellkern.

Mitochondrien Die Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle. Sie stellen die für das Überleben jeder Zelle notwendige Energie bereit. Ihre äußere Form ist oval mit einer doppelten Hülle (Membran), deren innerer Anteil zahlreiche Auffaltungen aufweist (▶ Abb. 1.3). Die Energiegewinnung erfolgt hauptsächlich durch Sauerstoff verbrauchende Zuckerverbrennung (aerobe Glykolyse). Der von den Mitochondrien erzeugte Energieträger ist das ATP (Adenosintriphosphat), das für verschiedene Prozesse in der Zelle verwendet werden kann. Zellen mit einem sehr hohen Energiebedarf (z. B. Muskelzellen) besitzen sehr viele Mitochondrien, träge Zellen (z. B. Knorpel- oder Bindegewebezellen) dagegen nur wenige.

Ribosomen Ribosomen sind kugelförmige Eiweißkörper, die in großer Zahl im gesamten Zytoplasma vorkommen und für die Eiweißherstellung (Proteinbiosynthese) zuständig sind. Sie sind die „Arbeiter“, die – vom Zellkern gesteuert – aus einfachen Aminosäuren komplizierte Proteine zusammenbauen.

Endoplasmatisches Retikulum Dabei handelt es sich um ein kanalartiges Netzwerk von Röhren innerhalb der Zelle, also um das „Straßennetz“ der Zelle. Hier findet der Stoff- und Flüssigkeitstransport innerhalb der Zelle statt. Sind die Außenwände des Hohlraumsystems mit Ribosomen bedeckt, so spricht man vom rauen endoplasmatischen Retikulum. Es enthält von den aufsitzenden Ribosomen gebildete „Exportproteine“, die für den Transport aus der Zelle bereitstehen.

Zytoskelett Das Zytoskelett ist das Gerüst der Zelle. Es besteht aus zahlreichen fadenförmigen Eiweißstoffen und trägt zur Stabilisierung des Zellkörpers bei. Auch die für manche Zellen charakteristischen Ausstülpungen der Zellmembran (z. B. beim Flimmerepithel, s. u.) werden vom Zytoskelett gebildet und dann Mikrovilli genannt. Bei manchen Zellen können sich die Eiweißfasern des Zytoskeletts aktiv bewegen (z. B. Muskelzellen), sie werden dann als Mikrofilamente bezeichnet.

Golgi-Apparat Dabei handelt es sich um Stapel aus flachen, scheibenförmigen Membransystemen, die sich meist in der Nähe des endoplasmatischen Retikulums und des Zellkerns befinden. Hier werden die von den Ribosomen produzierten Exportproteine verändert und in Transportbläschen eingeschlossen, die aus der Zelle wandern können. Es handelt sich also um die „Vertriebsabteilung“ der Zelle, in der die Proteine „verpackt“ und „verschickt“ werden.

Zellkern Der Zellkern ist die größte Struktur der Zelle, er ist von einer durchlässigen Doppelmembran umgeben und enthält neben der Zellkernflüssigkeit die Chromosomen und ein oder mehrere Kernkörperchen (Nukleolus). Auf den Chromosomen ist die gesamte Erbsubstanz des Organismus gespeichert. Der Zellkern ist das „Gehirn der Zelle“. Er enthält die vollständige genetische Information über den Organismus und dient der Steuerung der meisten Zellvorgänge.