Zellbiologie

Das wichtigste Merkmal einer eukaryotischen Zelle ist das Vorhandensein eines Zellkerns. Du kannst die eukaryotische Zelle wie erwähnt auch als Eucyte (Euzyte) bezeichnen.

Eucyten lassen sich in mehrere Zelltypen einteilen. Die wohl wichtigsten sind die Tierzelle und die Pflanzenzelle .

Eine typische Prokaryotische Zelle wie das Darmbakterium E. Coli ist folgendermaßen aufgebaut. 

Die Zellorganellen oder auch Organellen kannst du dir nach der neuesten Definition vorstellen als durch Membranen abgegrenzte Bereiche innerhalb einer Zelle. Während Eukaryoten  zahlreiche Organellen besitzen, enthalten Prokaryoten  in der Regel keine Zellorganellen im eigentlichen Sinn.

Innerhalb der Eukaryoten besitzen Pflanzenzellen und Tierzellen einige gemeinsame Zellorganellen, wie zum Beispiel den Zellkern, die Mitochondrien oder das endoplasmatische Retikulum. Nur die Pflanzenzelle wiederum besitzt beispielsweise eine Vakuole oder Plastiden.

Die Zellmembran, auch Zytomembran, Plasmamembran oder Plasmalemma genannt, ist eine Biomembran. Dabei handelt es sich in der Regel um eine Doppellipidschicht.

Die Zellmembran trennt den Zellinnenraum, das innere Milieu, von ihrer Umgebung, dem Extrazellulärraum. Dadurch schützt sie das innere Milieu der Zelle. Sie stellt demnach eine Art dünne Haut dar, die jede Zelle umgibt.

In der Doppellipidschicht sind in der Regel weitere Lipide und auch Proteine eingebaut. Sie ermöglichen der Zelle den Stofftransport und auch die Kommunikation mit anderen Zellen.

Merke: Du findest die Zellmembran sowohl bei Eukaryoten als auch bei Prokaryoten .

Der Aufbau der Zellmembran ist bei den Eukaryoten und Prokaryoten relativ ähnlich. Bei beiden ist sie nämlich ziemlich flexibel und umschließt das Zellinnere. Jedoch unterscheiden sich die beiden Membrantypen teilweise in ihrer chemischen Zusammensetzung.

In den prokaryotischen Archaeen befinden sich als Lipidkomponente beispielsweise keine Fettsäuren, sondern verschiedene Alkohole. Dadurch können die Archaeen auch in extremen Gebieten überleben.

Die Zellmembran besteht in tierischen und pflanzlichen Zellen und in Bakterien aus einer sogenannten Phospholipiddoppelschicht. Das bedeutet, dass sich die Zellmembran zum Großteil aus den sogenannten Phospholipiden zusammensetzt. Sie enthalten einen Kopfteil und zwei Schwanzteile.

Insgesamt sind Phospholipide amphiphil. Das bedeutet, dass sie einen wasserliebenden (hydrophilen) und einen wassermeidenden (hydrophoben) Teil besitzen.

Da der Raum um die Membran herum größtenteils aus Wasser besteht, sind die polaren, hydrophilen Köpfe nach außen gewandt. Die hydrophoben Schwänze zeigen nach innen und machen den Raum innerhalb der Doppelschicht aus.

An der Lipiddoppelschicht der Zellmembran liegen verschiedene Membranproteine.

Du unterteilst sie, je nach Position und Aufbau, in folgende Kategorien:

• Periphere Proteine: Sie werden auch wechselständige Proteine oder membranständige Proteine genannt. Dabei liegen sie auf der inneren oder äußeren Schicht der Membran, durchdringen diese jedoch nicht.

• Integrale Proteine: Dabei handelt es sich um Proteine, die entweder in die Membran eingebettet sind oder diese sogar ganz durchdringen. Je nach Aufbau und spezifischer Funktion unterteilst du sie noch weiter. Dabei unterscheidest du unter anderem zwischen Kanalproteinen, Transmembranproteinen und Rezeptorproteinen.

• Lipidverankerte Proteine: Sie befinden sich auf der Oberfläche der Membran, aber sind entgegen den peripheren Proteinen an ein Lipid gebunden. Es handelt sich hierbei um eine seltenere Art von Membranproteinen.

Innerhalb der Zellen von Tieren und Prokaryoten findest du an der Zellmembran zusätzlich noch die sogenannte Glykokalix. Diese nennst du auch Glykokalyx. Sie ist eine Schicht an der Außenseite der Zellmembran. Bei der Schicht handelt es sich um einen Kohlenhydratanteil.

Er ist an einigen Proteinen und Lipiden an der Außenseite der Zelle gebunden. So ermöglicht er es den Zellen, sich mit anderen Zellen zu größeren Zellverbänden zusammenzuschließen. Außerdem stabilisiert die Glykokalix die Zellmembran zusätzlich und schützt sie so vor fremden, chemischen oder mechanischen Einwirkungen.

Der grundsätzliche Aufbau und die Dicke der Glykokalix unterscheiden sich zwischen den Zellen sehr stark.

Die Hauptaufgaben der Zellmembran innerhalb der Zelle sind: 

• Abgrenzung des Zellinnenraums, des inneren Milieus, von seiner Umgebung, dem Extrazellulärraum

• Membrantransport, das Durchlassen verschiedener Moleküle durch die Membran

• Verknüpfung zu anderen Zellen

• Übertragung und Senden von Signalen

Die wichtigste Aufgabe der Zellmembran ist die Abgrenzung des Zellinnenraums vom Außenraum.

Die hydrophobe Schicht im Innenraum der Membran können dabei nur kleine, unpolare Moleküle, wie zum Beispiel Wasserstoff (H2), Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2) durchdringen.

Größere Moleküle, wie Ionen oder Proteine, können nur unter bestimmten Bedingungen durchgelassen werden.

Diese Halbdurchlässigkeit der Membran bezeichnest du auch als Semipermeabilität .

Damit auch größere Moleküle die Membran durchdringen können, sind verschiedene Proteine in der Zellmembran notwendig. Je nach Molekül oder Ion kommen dabei folgende Durchgänge zum Einsatz:

• Ionenkanäle: Sie durchdringen die gesamte Membran und bilden einen hydrophilen Kanal. Durch ihn können Ionen die Membran durchdringen. Das Öffnen und Schließen der Kanäle kann die Zelle unter anderem über Signalproteine oder elektrische Spannung steuern.

• Aquaporine: Hierbei handelt es sich um Kanäle, die auf Wasser spezialisiert sind. Wasser ist ein sehr kleines Molekül und kann die Membran in einigen Fällen ohne Probleme durchdringen. Mithilfe der Aquaporine kann die Zelle ihre Wasseraufnahme und -abgabe jedoch gezielter steuern.

• Transportproteine/Carrier-Proteine: Sie sind für den Membrantransport von Molekülen, wie Glucose oder Aminosäuren, zuständig. Sie ändern ihre Struktur, wenn ein passendes Molekül an sie bindet. Dadurch kann es auf die andere Seite der Membran transportiert werden.

• Cotransporter: Sie funktionieren ähnlich wie die Transportproteine. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass sie zwei Stoffe gleichzeitig durch die Membran transportieren, entweder in dieselbe Richtung (Symport) oder in die entgegengesetzte Richtung (Antiport).

• Ionenpumpen: Durch den Verbrauch von Energie in Form von ATP können Pumpen, wie die Natrium-Kalium-Pumpe , Moleküle entgegen einer Konzentrationsdifferenz, also des sogenannten Gradienten, in die Zelle oder aus der Zelle heraus transportieren.

Um den Stofftransport darüber hinaus zu regulieren, kann die Zelle die Fluidität der Membran erhöhen oder erniedrigen. Das geschieht über das Einlagern oder Freisetzen von Cholesterin, denn das erhöht die Fluidität der Membran. Eine hohe Fluidität steht dabei für eine dünnflüssigere Membran und somit auch für einen leichteren Transport der Stoffe. 

Für die Signalübertragung zwischen den Zellen befinden sich an der Zellmembran sogenannte Rezeptorproteine. Sie bestehen aus einem Kanal, der durch die Membran in die Zelle führt und einem Rezeptor.

Wenn ein Signalmolekül nach dem Schlüssel-Schloss Prinzip an den Rezeptor andockt, öffnet sich der Kanal. Dadurch können Signalproteine die Zelle durchdringen.

Für die Verbindung zwischen mehreren Zellen ist primär die Zellmembran verantwortlich. Hierbei spielt die Glykokalix eine wichtige Rolle. Die Kohlenhydratanteile der Glykoproteine und Glykolipide können sich mit der Matrix des extrazellulären Raums verbinden. Dadurch bilden sich Gewebe, die sich bis hin zu den anderen Zellen fortführen.

Über diese Zellverbände können dann unter anderem verschiedenste Stoffe ausgetauscht werden.

• Was ist eine Zellmembran? Eine Zellmembran, auch Zytomembran, Plasmamembran oder Plasmalemma genannt, ist ein Bestandteil der Zelle. Dabei kommt sie sowohl bei Eukaryoten als auch Prokaryoten vor. Durch die Zellmembran wird der Innenraum bzw. das innere Milieu der Zelle geschützt. Dieses wird durch sie nämlich von dem Extrazellulärraum, also der Umgebung, getrennt.

• Was ist die Aufgabe der Zellmembran? Die Zellmembran ist eine dünne Struktur, die die Zelle umgibt. Sie trennt das Zellinnere von der Umgebung. Ihre Hauptaufgabe ist die Regulation des Stofftransports in die Zelle hinein und wieder heraus. Die Zellmembran besteht primär aus einer Lipiddoppelschicht, in welcher Proteine eingebettet sind.

• Wie ist die Zellmembran aufgebaut?  Der Aufbau der Zellmembran besteht aus der Phospholipiddoppelschicht. An ihr liegen mehrere Membranproteine, die jeweils verschiedene Aufgaben erfüllen. Zudem befindet sich an der Zellmembran eine Glykokalix. Das ist eine Struktur bzw. eine Schicht, die an Proteine oder Fette der Membran gebunden ist.

Der Zellkern (lat. Nucleus = Kern), auch Nukleus oder Nucleus genannt, ist ein wichtiger Bestandteil im Bau der Zelle. Er befindet sich im Cytoplasma und ist das größte Zellorganell.

Dabei solltest du dir merken, dass sich ein Zellkern nur in den Zellen der sogenannten Eukaryoten (= Eucyte) befindet.

Die Prokaryoten besitzen innerhalb ihrer Zelle (= Procyte) keinen Zellkern.

Die Hauptfunktionen des Zellkerns sind die Steuerung wichtiger Stoffwechselprozesse wie zum Beispiel der Zellteilung und die Lagerung der Erbinformationen (DNA) in Form von Chromosomen.

Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein verzweigtes Gangsystem in eukaryotischen Zellen. Es ist von Membranen umgeben und über Kernporen mit dem Zellkern verbunden. Dabei ist es in weiten Teilen des Zellinneren verteilt und stellt eine Erweiterung der Kernmembran dar. 

Du kannst zwischen zwei Typen unterscheiden:

• glattes endoplasmatisches Retikulum (glattes ER)

• raues endoplasmatisches Retikulum (raues ER)

Das raue ER besitzt im Gegensatz zum glatten ER  „kleine Kugeln”, die Ribosomen, an seiner Oberfläche.

Die beiden Formen unterscheiden sich auch in ihrer Funktion. So ist das raue ER vorwiegend an der Herstellung (Proteinbiosynthese) und Faltung von Proteinen beteiligt. Die Aufgabe des glatten ERs ist die Produktion verschiedener Stoffe, wie Fettsäuren oder Hormone, und die Entgiftung der Zelle.

Ribosomen sind kleine Teilchen, die aus rRNA (ribosomaler RNA) und Proteinen bestehen. Sie befinden sich in den Zellen aller Lebewesen und sind etwa 20 bis 30 nm groß.

Die Hauptaufgabe eines Ribosoms ist die Translation während der Proteinbiosynthese. Dabei liest das Ribosom die genetischen Informationen der mRNA ab und bildet aus ihnen Proteine.

Die Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten:

• kleine Untereinheit: Ablesen und Kontrollieren der mRNA auf Fehler

• große Untereinheit: Bildung von Proteinen

Je nachdem, in welcher Zellenart die Ribosomen vorkommen, unterscheiden sie sich in ihrer Größe.

Der Golgi Apparat (auch Golgi-Apparat) ist ein Zellorganell, das nur in eukaryotischen Zellen vorkommt. 

Die Hauptaufgabe des Golgi Apparats ist es, Proteine vom Endoplasmatischen Retikulum (ER) anzunehmen, zu verarbeiten und umzuwandeln.

Anschließend verpackt er sie zum Transport in Vesikel und schickt sie wieder über das Cytoplasma weiter. Du kannst ihn dir also als eine Art Post vorstellen.

Um die Proteine vom ER optimal entgegennehmen zu können, befindet sich der Golgi Apparat innerhalb der Zelle in der Nähe des Zellkerns.

Mitochondrien sind Zellorganellen. Sie kommen in tierischen und pflanzlichen Zellen vor.

Als „Kraftwerke der Zellen“ produzieren sie das sogenannte Adenosintriphosphat (ATP).

Es dient deinem Körper als Energieträger und wird im gesamten Körper gebraucht.

Machst du also beispielsweise Sport, müssen deine Mitochondrien intensiver arbeiten.

Du kannst Mitochondrien an ihrer ovalen Form und der doppelten Membran erkennen.

Durch sie gibt es in jedem Mitochondrium zwei voneinander abgetrennte Räume: den Matrixraum in der Mitte und den Membranzwischenraum (Intermembranraum) zwischen den beiden Membranschichten.

Vesikel sind kleine, runde Bläschen, die von einer Membran umgeben sind und sich frei im Cytoplasma bewegen können.

Grundsätzlich ist die wichtigste Aufgabe von Vesikeln der Transport von Stoffen wie zum Beispiel Proteinen oder Lipiden. Du kannst sie jedoch noch weiter in unterschiedliche Arten einteilen. Zwei wichtige dieser Arten sind die Lysosomen und die Peroxisomen .

Die Lysosomen sind Vesikel, die in ihrem Inneren Verdauungsenzyme enthalten. Durch diese können sie zellfremde oder zelleigene Moleküle spalten und abbauen.

Die Peroxisomen enthalten in ihrem Inneren Enzyme namens Peroxidasen. Diese sind in der Lage, die Zelle zu entgiften, indem sie Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff abbauen.

Der Nucleolus ist eine kleine, kugelförmige Struktur innerhalb des Zellkerns . Du kannst ihn auch als Kernkörperchen oder Nukleolus bezeichnen. Im Zellkern der Tierzellen befindet sich in den meisten Fällen nur ein Nucleolus. Manche Zellkerne von Pflanzenzellen können aber bis zu 10 Nucleoli enthalten.

Deshalb ist das Kernkörperchen auch nur in den Lebewesen enthalten, die einen Zellkern besitzen. Das sind die sogenannten Eukaryoten . Die Prokaryoten haben keinen Zellkern.

Du solltest den Begriff Nucleolus (Kernkörperchen) nicht mit dem Nucleus (Zellkern) verwechseln.

Der Nucleolus besteht aus drei Hauptstrukturen namens Nucleolus-Organisator-Region (NOR), Pars fibrosa und Pars granulosa. Darin liegen verschiedenste Enzyme, Proteine und rRNA -Formen.

Die Funktion der Kernkörperchen bezieht sich vor allem auf die Produktion von sogenannten Prä-Ribosomen . Diese Produktion ist ein essentieller Bestandteil der gesamten Zellteilung.

Die Lysosomen stellen den „Magen der Zelle” dar. Ihre Hauptaufgabe ist die Verdauung innerhalb der Zelle. Dabei bauen sie mithilfe ihrer Enzyme zellfremdes und zelleigenes Material ab und spalten Makromoleküle.

Lysosomen sind ein Bestandteil von eukaryotischen Zellen. Sie kommen vor allem in Tierzellen vor und werden hauptsächlich im Golgi Apparat gebildet.

Ein Lysosomen gehört zu den Vesikeln und ist eins kleines Bläschen, umgeben von einer Biomembran. In ihrem Zellinneren befinden sich Verdauungsenzyme, sogenannte lysosomale Enzyme. Zu den lysosomalen Enzymen zählen: 

• Nukleasen: Abbau der Nukleinsäuren

• Proteasen: Abbau von Proteinen

• Lipasen: Abbau von Fetten

Als Plastiden kannst du unterschiedliche Zellorganellen in Pflanzenzellen oder Algen bezeichnen, die aus endosymbiontisch lebenden Zellen entstanden sind. Da Plastiden nicht in tierischen Zellen vorkommen, sind Mitochondrien keine Plastiden.

Sie sind meistens, wie auch die Mitochondrien und der Zellkern , von einer doppelten Membran umgeben. Außerdem enthalten sie eine eigene, ringförmige DNA,  Ribosomen  und können sich durch Teilung vermehren.

In Pflanzenzellen existieren verschiedenste Plastidentypen. Vier wichtige dieser Typen sind die sogenannten Chloroplasten , die Proplastiden, die Leukoplasten und die Chromoplasten.

Eine Vakuole ist ein Zellorganell , welches hauptsächlich in Pflanzenzellen vorkommt. In Tierzellen gibt es keine Vakuolen. Sie ist mit Zellsaft gefüllt, besteht also zum größten Teil aus Wasser und Nährstoffen. Umgeben ist sie von einer Membran , die du als Tonoplast bezeichnest.

Die Hauptfunktion der Vakuole ist es, den sogenannten Turgor oder auch Zellinnendruck zu erzeugen. Er sorgt dafür, dass die Pflanzenzelle prall ist und somit stabil bleibt. Außerdem speichert die Vakuole Proteine und verdaut einige Abfallstoffe.

Da sie das größte Zellorganell ist, kannst du die Vakuole bereits bei schwacher Vergrößerung unter dem Mikroskop sehen.

Eine Zellwand ist eine dicke Hülle, die Pflanzenzellen, prokaryotische Zellen (Bakterienzellen und Archaeen) und Pilzzellen umgibt. Tierzellen besitzen keine Zellwände.

Die pflanzlichen Zellwände sind aus vier Bestandteilen aufgebaut. Von außen nach innen sind das die:

• Mittellamelle

• Primärwand

• Sekundärwand

• Tertiärwand

Diese bestehen vor allem aus den Polysacchariden Cellulose, Pektin, dem Biopolymer Lignin und verschiedenen Strukturproteinen.

Die wichtigsten Funktionen einer Zellwand sind der Schutz des Cytoplasmas und die Stabilisierung der Zellform. Außerdem ist sie in der Lage, durch ihre semipermeablen (halbdurchlässigen) Eigenschaften den Druck innerhalb der Zelle zu steuern. Das passiert durch Wasseraufnahme und -abnahme.

So kann sie ein Austrocknen, aber auch ein Platzen der Zelle verhindern. Weiterhin ist die Zellwand in der Lage, unter anderem Kohlenhydrate für den Stoffwechsel zu speichern.

Chloroplasten sind Organellen, die in Pflanzen– und Algenzellen vorkommen. Ihre Hauptfunktion ist es, Photosynthese zu betreiben. Sie können also mithilfe von Sonnenlicht energiereichen Zucker herstellen. Chloroplasten sind außen von einer Doppelmembran umgeben, in ihrem Inneren befindet sich eine farblose Flüssigkeit, das Stroma.

Im Plasma einer Pflanzenzelle findest du meist viele Chloroplasten. Sie sehen aus wie kleine, grüne „Körner”. Die grüne Farbe der Pflanzen kommt durch den Farbstoff Chlorophyll (Blattgrün), der in den Chloroplasten erhalten ist. Ohne ihn, könnte die Pflanze keine Photosynthese ausüben.

Chloroplasten gehören zu den Plastiden. Das sind Zellorganellen in Pflanzen, die eine Doppelmembran und eigenes Erbgut besitzen. 

Aufgepasst: Tierzellen und prokaryotische Zellen enthalten keine Chloroplasten.

Tierische und pflanzliche Zellen ähneln sich in sehr vielen Aspekten. Beide enthalten zum Beispiel folgende Zellorganellen:

• Zellmembran

• Zellkern mit Nucleolus

• Golgi Apparat

• Ribosomen

• Endoplasmatisches Retikulum

• Cytoplasma

• Mitochondrien

• Cytoskelett

• Vesikel

Tier- und Pflanzenzellen haben zwar viel gemeinsam, haben jedoch auch einige Unterschiede. Für einen besseren Überblick teilst du die Unterschiede nach ihrer Funktion in Kategorien ein. Sie schauen wir uns jetzt genauer an.

Ein Zellkontakt ist die Verbindung zwischen zwei oder mehr Pflanzen- oder Tierzellen untereinander.

Bei den tierischen Zellen übernehmen die Desmosomen diese Funktion. Das sind runde Strukturen in der Zellmembran, die Druckknöpfen oder Nieten ähneln.

In den pflanzlichen Zellen sind für den Zellkontakt primär die sogenannten Plasmodesmen zuständig. Das sind kleine Plasmafäden, die durch Aussparungen in der Zellwand zur Nachbarzelle führen. Die Aussparungen nennst du Tüpfel.

Damit eine Zelle gegenüber äußeren, mechanischen Einwirkungen stabil bleibt, muss sie gut gestützt werden.

Diese Stützfunktion übernimmt in der pflanzlichen Zelle vor allem die Zellwand . Sie besteht zum Großteil aus den Polysacchariden Cellulose und Pektin und dem Biopolymer Lignin.

In der tierischen Zelle fungiert das Cytoskelett als Stütze. Das ist ein Netzwerk aus mehreren Proteinen, welches sich durch die Zelle zieht. Seine Hauptbestandteile sind dabei Mikrotubuli , Intermediärfilamente und Mikrofilamente.

Auch die Entgiftung ist ein wichtiger Prozess, der in der Zelle abläuft.

In der Pflanzenzelle sind dafür zwei Zellorganellen verantwortlich. Die Vakuole ist das mit Abstand größte Organell in pflanzlichen Zellen. Sie ist neben dem Druckerhalt (Turgordruck) in der Zelle auch für die Lagerung von Giftstoffen zuständig.

Die zweiten wichtigen Zellorganellen sind die Peroxisomen  und ihre spezialisierte Form, die Glyoxysomen. Sie sind in der Lage, giftiges Wasserstoffperoxid () in Wasser () und Sauerstoff () zu spalten.

Tierische Zellen enthalten zur Zellentgiftung ebenfalls Peroxisomen, besitzen jedoch keine Glyoxysomen. Dafür besitzen sie Lysosomen . Das sind Vesikel, die mithilfe von Verdauungsenzymen zellfremde und zelleigene Stoffe abbauen können.

Ein weiterer Unterschied der Tier- und Pflanzenzellen bezieht sich auf die sogenannten Plastiden . Sie kommen in den pflanzlichen Zellen vor, aber nicht in tierischen Zellen.

Sie sind aus endosymbiontisch lebenden Zellen entstanden. Die vier wichtigsten Plastidentypen sind die Proplastiden, die Chromoplasten, die Leukoplasten und die Chloroplasten . Letztere sind für das Betreiben der Photosynthese zuständig.

Nicht nur der gesamte Organismus, sondern auch die einzelnen Zellen sind in der Lage, Nahrung aufzunehmen. Dadurch können Zellen wichtige Lebensvorgänge, wie zum Beispiel den Stoffwechsel oder das Wachstum, entscheidend steuern.

Pflanzliche Zellen ernähren sich autotroph. Das bedeutet, dass sie die Energie, die sie verbrauchen, selbst durch Photosynthese erzeugen können. Ihre Nahrungsaufnahme zeichnet sich insbesondere durch anorganische Stoffe wie Wasser, Kohlenstoffdioxid oder Mineralsalze vom Boden aus. Daraus können sie mithilfe von Sonnenlicht Kohlenhydrate (Glucose) und Sauerstoff bilden.

Tierische Zellen und sehr selten Pflanzenzellen ernähren sich dagegen heterotroph. Das bedeutet, dass sie sich ihre Energie von außen zuführen müssen. Dazu fressen sie organische Lebewesen und nehmen so hauptsächlich organische Stoffe wie Kohlenhydrate, Eiweiß und Fett zu sich. Aus diesen Nährstoffen bauen sie eigene Körperstoffe auf. Die Kohlenhydrate speichern Tierzellen in Form von Glykogen.

Diese Zerlegung von den energiereichen, organischen Stoffen wird als Zellatmung bezeichnet. Wichtig ist hier, dass auch Pflanzenzellen eine Zellatmung durchführen können.

Ein weiterer wichtiger Prozess bei Tieren und Pflanzen ist das Zellwachstum.

Bei den pflanzlichen Zellen nehmen dafür die Vakuolen an Wasser zu, die Zellen dehnen sich aus und die Zellwand wächst. Dadurch werden die einzelnen Zellen und auch die gesamte Pflanze größer. Generell sind Pflanzen in der Lage, während ihres gesamten Lebens zu wachsen.

Tierische Zellen wachsen in diesem Sinne nicht. Sie teilen sich jedoch, um sich zu vermehren. Dabei entstehen aus einer Zelle zwei kleinere Zellen, die dann wieder auf die normale Größe heranwachsen.

Wenn tierische Zellen durch Wachstum eine bestimmte Größe erreicht haben, können sie sich teilen. Dabei teilt sich während den Kernteilungen Mitose und Meiose immer zuerst der Zellkern. Danach teilt sich die gesamte Zelle.

Tiere können insbesondere die Zellen in Organen teilen. Dabei schnürt sich die tierische Mutterzelle bei einer Teilung von außen ab und bildet so eine neue Zellmembran zwischen beiden Kernen.

Bei der Pflanze teilen sich dabei vor allem junge Zellen, wie zum Beispiel die Zellen in Blüten – und Blattknospen. Hier entsteht neben einer neuen Zellmembran zusätzlich eine neue Zellwand, die die beiden Kerne trennt.

• Was ist der Unterschied zwischen der pflanzlichen und der tierischen Zelle? Der größte Unterschied zwischen Pflanzen- und Tierzellen ist, dass es bei den Pflanzenzellen bestimmte Bestandteile gibt, die der Photosynthese dienen. Tierzellen besitzen dafür andere Bestandteile, wie zum Beispiel Lysosomen. Zudem haben sie ein stärker ausgeprägtes Cytoskelett.

• Wie ist der Aufbau der tierischen und pflanzlichen Zelle? Sowohl tierische als auch pflanzliche Zellen besitzen Zellmembran, Zellkern, Golgi-Apparat, Ribosomen, endoplasmatisches Retikulum, Cytoplasma (Zellplasma), Mitochondrien, Cytoskelett sowie Vesikel. In pflanzlichen Zellen gibt es zudem eine Zellwand, Vakuolen und Chloroplasten.

• Was sind Gemeinsamkeiten der Tier- und Pflanzenzelle? Tierische und pflanzliche Zellen haben beide folgende Zellorganellen: Zellmembran, Zellkern, Golgi-Apparat, Ribosomen, endoplasmatisches Retikulum, Cytoplasma (Zellplasma), Mitochondrien, Cytoskelett sowie Vesikel. Chloroplasten und Vakuolen besitzen jedoch nur die Pflanzenzellen. Bei ihnen findet in den Chloroplasten die Photosynthese statt, sie gibt es bei Tierzellen nicht.

Osmose ist die Diffusion eines Lösungsmittels durch eine semi– oder selektiv permeable (halbdurchlässige) Membran.

Sie tritt auf, wenn zwischen den beiden Seiten der Membran ein Konzentrationsgefälle vorherrscht. Das heißt, dass in dem einem Kompartiment (Raum) eine höhere Teilchenkonzentration vorliegt als in dem anderen.

Dieses Gefälle soll mithilfe eines Transports durch die Membran ausgeglichen werden. Die semipermeable Membran können allerdings nur Lösungsmittel (wie z. B. Wasser) passieren. Gelöste Teilchen wie Salz-Moleküle sind zu groß oder zu geladen, um die Membran zu durchqueren. 

Bei der Osmose diffundiert das Lösungsmittel (Wasser) nun aus dem Kompartiment mit der geringeren Teilchenkonzentration in das Kompartiment mit der höheren Teilchenkonzentration. Das läuft so lange ab, bis auf beiden Seiten die gleiche Stoffkonzentration (also das gleiche Verhältnis von Teilchen zu Lösungsmittelmenge) vorliegt.

Merke: Die Osmose ist ein passiver Vorgang. Es wird also keine Energie benötigt.

Die Osmose ist eine spezielle Form der Diffusion durch eine Biomembran. Deswegen ist es wichtig, erst einmal die beiden Begriffe „Diffusion“ und „Biomembran“ zu klären.

Bei der Diffusion handelt sich um einen natürlich ablaufenden, passiven Prozess. Er passiert, wenn ein Konzentrationsgefälle vorliegt. Dann findet er solange statt, bis überall die gleichen Konzentrationen an Teilchen vorliegen.

Diffusion bewirkt, dass sich gelöste Teilchen in einem Lösungsmittel gleichmäßig und spontan verteilen, bis überall die gleiche Anzahl an Teilchen vorliegt. Die gleichmäßige Bewegung der Teilchen kannst du auch als Brownsche Molekularbewegung bezeichnen. 

Das Phänomen der Diffusion bemerkst du, wenn du in ein Wasserglas einen Tropfen Tinte hinzugibst. Nach einiger Zeit nimmt das Wasser eine gleichmäßige blaue Färbung an. Dafür ist also keine Membran nötig. Die Diffusion als Transportprozess ist nämlich nicht auf Membranen beschränkt.

Osmose ist ein Spezialfall der Diffusion durch eine Membran, die zwei Kompartimente abgrenzt. Sie ist für das Lösungsmittel (Wasser) durchlässig, für den gelösten Stoff jedoch nicht. Die Art des Stoffes ist dabei egal, denn es geht nur um seine Konzentration.

Bis jetzt haben wir das Phänomen Osmose allgemein betrachtet. Aber in der Biologie hat sie eine besondere Bedeutung.

Für die Osmose ist neben einem Lösungsmittel eine durchlässige Membran nötig. Die Biomembranen aller eukaryotischen  und prokaryotischen Zellen sind solche semipermeable Membranen. Sie sind aus einer Doppelschicht aus Phospholipiden aufgebaut und begrenzen bestimmte Kompartimente. Zellmembranen separieren zum Beispiel Zellen voneinander.

Die Biomembran lässt selektiv nur kleine ungeladene Teilchen oder Wasser (=Lösungsmittel) diffundieren. Damit das Wasser die Membran leichter passieren kann, gibt es spezielle Kanalproteine, die sogenannten Aquaporine. Salz-Moleküle, andere Ionen oder größere Moleküle können die Biomembranen nicht ohne Weiteres passieren.

Sind auf den beiden Seiten der Membran unterschiedliche viele Teilchen gelöst, kommt es zu einem Konzentrationsgefälle. Je größer dieses Gefälle ist, umso stärker strebt die Seite mit der höheren Konzentration danach, Wasser aufzunehmen. Denn das wirkt verdünnend und senkt so die Konzentration.

Dieses Bestreben nach dem Lösungsmittel bezeichnest du als osmotischen Druck . Er wird durch die in einem Lösungsmittel gelösten Moleküle auf der höher konzentrierten Seite verursacht. Dabei stellt er die Triebkraft dar, durch die das Lösungsmittel die Membran passieren kann.

Es gibt drei Begriffe, um die Konzentrationen von Stoffen zu beschreiben, die durch Membranen getrennt sind:

• Isotonie Bei isotonischen (iso = gleich, tonus = Spannung) Verhältnissen sind auf beiden Seiten gleiche Konzentrationen gelöster Stoffe zu finden.

• Hypotonie Hypotone (hypo = unter) Lösungen verfügen über eine niedrigere Konzentration an gelösten Stoffen als die Vergleichslösung.

• Hypertonie Bei einer hypertonischen (hyper = über) Lösung ist dagegen die Konzentration an gelösten Stoffen höher als die der Vergleichslösung.

  

  
  

Tierzellen sind von einer wässrigen Umgebung aus Blut und Lymphe umgeben. Der menschliche Körper besteht zum Beispiel zu 60-75 % aus Wasser. Dementsprechend spielt Osmose bei tierischen Zellen eine große Rolle.

In tierischen Zellen kommt die Osmose zum Beispiel bei roten Blutzellen vor. Sie befinden sich normalerweise im Blutplasma. Das ist eine Art wässrige Lösung, die unter anderem Salze und Proteine enthält.

Im Normalzustand besitzen rote Blutzellen die Form einer Scheibe. Verdünnt man die Bluttropfen mit reinem Wasser, schwellen die Zellen an und platzen. Das reine Wasser ist also hypoton (niedrigere Konzentration) im Vergleich zum hypertonen (höhere Konzentration) Medium im Inneren der roten Blutzellen. Weil die Plasmamembran dem Druck des Wassereinstroms nicht standhalten kann, platzen die Zellen.

Wird im umgekehrten Fall eine relativ konzentrierte Salzlösung dem Blut zugefügt, ist nun das Zellplasma der Blutzellen hypoton im Vergleich zum Außenmedium. Das hat zur Folge, dass Wasser per Osmose austritt und die Blutzellen eine faltige Stechapfelform annehmen. Sie sind nun nicht mehr in der Lage, Sauerstoff zu transportieren.

Für Pflanzen ist der Wassertransport von der Wurzel enorm wichtig. Hier wird Wasser passiv über die Wurzel per Osmose aufgenommen.

Gibst du welken Salat in destilliertes Wasser, wird er wieder knackig. Das liegt daran, dass Pflanzenzellen im Gegensatz zu tierischen Zellen zusätzlich eine Zellwand und Vakuole besitzen.

Diese robuste Zellwand sorgt nämlich dafür, dass nur eine bestimmte Menge an Wasser in die Vakuolen aufgenommen werden kann. Deswegen übt die Vakuole einen starken Druck auf die Zellwand aus. Das funktioniert ungefähr wie die Luft im Inneren eines Luftballons, die gegen die Ballonwand drückt.

Die Zellwand baut beim Wassereinstrom einen Druck auf, den Turgor. Er kann in der Zelle bis zu 7 bar betragen. Das ist dreimal mehr als bei einem Autoreifen! Diese „pralle“ Zelle bezeichnest du auch als voll turgeszent, den Vorgang nennst du Deplasmolyse.

Legst du das Salatblatt statt in eine destillierte Lösung in eine konzentrierte Salzlösung, kommt es zu einem Wasserausstrom aus der Vakuole und der Tugordruck nimmt ab. Der Zellkörper (Protoplast ) löst sich von der Zellwand. Du sprichst bei diesem Vorgang von der Plasmolyse .

Als Osmoregulation bezeichnest du die Regulation der osmotischen Verhältnisse. Sie ist vor allem in tierischen Zellen sehr wichtig. Die Zahl der gelösten Teilchen sollte bei diesen Zellen nämlich weder zu hoch noch zu niedrig sein.

Dazu gehören auch wasserlebende Tiere. Viele von ihnen müssen mit unterschiedlichen Wasser- und Salzkonzentrationen auskommen. Du unterscheidest hier:

• Osmokonformer Diese meist wirbellosen Tiere passen ihre Osmolarität (Anzahl der gelösten Teilchen pro Volumeneinheit) an ihre Umgebung an. Aber auch Haie gehören zu den Osmokonformern.  

• Osmoregulierer Sie regulieren, dass ihr Salzgehalt unabhängig von ihrer Umgebung fast immer konstant bleibt. Süßwasserfische beispielsweise müssen das Problem, dass ständig Wasser per Osmose einströmt, beheben. Salzwasserfische (Halophile) müssen aufpassen, dass sie nicht zu viel Wasser verlieren.

Einzeller wie das Pantoffeltierchen (Parameticum), die Alge Euglena oder Amöben regulieren ihren Wasserhaushalt auf eine besondere Art und Weise. Sie besitzen nämlich eine kontraktile Vakuole , die sich vergrößern und verkleinern kann. So kann überschüssiges Wasser aus dem Zellplasma durch Osmose in die Vakuole einströmen und über die Zellmembran wieder abgegeben werden.

Pflanzen verfügen zwar über Anpassungen wie eine dicke Cuticula oder eingesenkte Spaltöffnungen als Schutz vor Austrocknung. Bis auf wenige Ausnahmen haben höhere Pflanzen aber keine Strukturen für Osmoregulation.

Das Prinzip der Osmose wird in Technik und Medizin genutzt. Es erklärt aber auch viele Alltagsphänomene. Einige Anwendungsbereiche der Osmose sind:

• Medizinische Dialyse Hier werden schädliche Stoffe aus dem Blut entfernt.

• Aufbereitung von Trinkwasser Dabei wird die Osmose umgekehrt, du sprichst deshalb auch von der sogenannten Umkehrosmose. Mithilfe eines externen Drucks wird eine Substanz gegen ihr Konzentrationsgefälle aufkonzentriert.

• Stromerzeugung In Osmosekraftwerken wird osmotische Arbeit in Energie umgewandelt und so Strom erzeugt.

• Gemüse-Kochen Durch das Verwenden von Salzwasser wird ein Wassereinstrom in das leicht salzhaltige Gemüse vermieden. So behält das Gemüse seinen Geschmack.

• Konservierung von Lebensmitteln Hier wird oft Zucker oder Salz zu den Lebensmitteln hinzugegeben, um das Wasser aus den Lebensmitteln „herauszuziehen“.

• Was ist Osmose?

  Osmose ist ein passiver Transport eines Lösungsmittels, wie Wasser, durch eine Biomembran. Grundlage ist der sogenannte osmotische Druck, also ein Konzentrationsgefälle zwischen den Räumen auf beiden Seiten der Membran. Dieses Gefälle wird bei der Osmose durch einseitige Diffusion ausgeglichen.  

• Was bedeutet Osmose einfach erklärt?

  Beim Prozess der Osmose diffundiert ein Lösungsmittel, wie Wasser, von der niedrigeren zur höheren Teilchenkonzentration durch eine Membran. Die Konzentration ist der Anteil des gelösten Stoffes im Lösungsmittel. Dieser Stoff kann z. B. Zucker sein.  

• Welche Osmose Beispiele gibt es?

  Osmose kommt z. B. bei Kirschen im Regen vor. 1. Im Inneren ist mehr Zucker als im Regenwasser 2. Die Teilchen wollen einen Konzentrationsausgleich erreichen 3. Deswegen diffundiert Wasser in die Kirsche 4. Ist der Druck zu hoch, platzt sie