Cytologie

Cytologie
Diese Ausarbeitung wird sich mit der Cytologie beschäftigen, wobei im ersten Abschnitt ein kurzer historischer Überblick über die Geschichte der Cytologie gegeben wird. Der zweite Abschnitt befasst sich mit dem Zellkern. Der dritte Abschnitt gibt einen Einblick in die Mitochondrien, die „kleinen Kraftwerke“ der Zelle. Der vierte Abschnitt gehe ich kurz auf das Endoplasmatische Retikulum ein. Danach werde ich auf die Ribosomen eingehen und schließlich auf den Golgi-Apparat. Am Ende befindet sich ein Glossar, um unklare Begriffe zu erläutern.
Die Geschichte der Cytologie
Die Cytologie , die auch Zellbiologie genannt wird, befasst sich mit Hilfe der Mikroskopie und molekular biologischen Methoden mit der Erforschung der Zelle. Um biologische Vor-gänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären werden die verschiedenen Kompartimente, Zellorganellen, Zellteilung, die Bewegung von Zellen und Zellverbänden sowie die Kommunikation von Zellen untersucht. Die Zellbiologie hat enge Kontakte mit den Nachbardisziplinen Biochemie, Molekularbilogie, Physiologie, Entwicklungsbiologie, Botanik , Zoologie und Immunologie. Der Begriff „Zytologie“ wird auch synonym für die Zytodiagnostik gebraucht. 1665 prägte Robert Hookes den Begriff Zelle, nachdem er diese im Gewebe eines Flaschenkorkens mit Hilfe eines Mikroskop entdeckte und detailliert auf-zeichnete. Später zeichnete er das selbe bei Zellen des Farns und des Sonnentaus. Zwi-schen 1674 und 1700 entdeckte Antoni van Leeuwenhoek Mund- und Darmbakterien, pa-rasitäre Einzeller und rote Blutkörperchen. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde die Zel-le als Elementareinheit der Pflanzenorgane betrachtet (Franz Meyen (1804–1840)). 1838 behauptet Matthias Jacob Schleiden, alle Pflanzen würden aus Zellen bestehen. Theodor Schwann erweitert noch im selben Jahr die Aussage auf Tiere. Er stellte fest, dass Zellen von einer Membran umgeben sein müssen, und dass jedes Gewebe aus Zellen einer be-stimmten Art besteht. 1839: Theodor Schwann zeigt, dass Tiere und Pflanzen aus Zellen bestehen. 1845 veröffentlichte Karl Theodor Ernst von Siebold ein Buch, in dem er Proto-zoen als einzellige Lebewesen darstellte und damit zeigte, dass Zellen unabhängig vonei-nander leben können. Zur gleichen Zeit widerlegen Louis Pasteur und andere die Theorie, dass Zellen spontan aus toter organischer Materie (generatio spontanea) entstehen kön-nen. 1855 bestätigt Rudolf Virchow auf dem Gebiet der Pathologie die Theorie Meyens, dass jede Zelle aus einer anderen entsteht.
Der Zellkern
Der Zellkern (lat. Nucleus=Kern, auch Nukleus, altgriechisch Karyon= Kern)ist ein rundli-che geformtes Organell ( der eukaryotischen Zelle) welches im Cytoplasma liegt und das Erbgut enthält. Den größten Teil des genetischen Materials der eukaryontischen Zellen in Form mehrerer Chromosomen enthält der Zellkern. Der Zellkern ist das Hauptmerkmal zur Unterscheidung zwischen Eukaryoten und Prokaryoten. Wichtige Vorgänge im Zellkern sind die DNA-Replikation und die Transkription.
Aufbau: Zellkerne können je nach Zelltyp sehr unterschiedlich aussehen .Meistens ist der Zellkern kugelförmig oder oval. In manchen Zellen ist der Zellkern eher geweihförmig oder er ist in knotenartige Abschnitte untergliedert(z.B. Rosenkranzförmiger Zellkern der Trom-petentierchen).Der bei Säugern typische Zellkern hat meistens einen Durchmesser von 5-16 mikrometer und ist das am leichtesten zu erkennende Organell der Zelle unter dem Mikroskop. Der Zellkern wird durch die Kernhülle(bestehend aus zwei biologischen Memb-ranen) begrenzt. Die Kernhülle umschließt die sogenannte perinuhkleäre Zisterne (Breite 10-15 nm, gefestigt von Mikrofilamenten, Dicke 2-3 nm).Die äußere Kernmembran geht fließend in das raue Endoplasmatische Retikulum über und hat wie dieses auch Riboso-men auf ihrer Oberfläche .Die innere Kernmembran grenzt an einen 20-100 nm breiten „Filz“, der Kernlamina (lat. Lamina fibrosa nuclei) die aus Laminen besteht, den Zellkern stützt und die innere Membran vom Chromatin der Zellkerns trennt. Durch die in der Kern-hülle enthaltenen Kernporen, die ca. 25% der Oberfläsche bedecken, findet der aktive Sauerstoffaustausch(z.B. nRNA oder mRNA) zwischen dem Kern und dem Zellplasma statt. Dieser Austausch wird durch ein Kernporenkomplex gesteuert. Regulatorische Prote-ine gelangen aus dem Cytoplasma in den Zellkern, Transkriptionsprodukte wie die mRNA werden zur Proteinsynthese, die an den Ribosomen des Cytoplasmas stattfinden, aus dem Kern in das Plasma exportiert. Als Karyoplasma wird die Flüssigkeit im Zellkern be-zeichnet. Das im Zellkern vorhandene Erbgut der Zelle befindet sich in den Chromoso-men, mehrere zu Chromatin verpackte DNA_Fäden, die neben der DNA auch Proteine wie Histone enthalten. Neben den Histonen kommen auch andere Kernproteine, wie z.B. DNA-Polymerasen und RNA-Polymerasen, weitere Transkriptionsfaktoren sowie Ribonuk-leinsäuren im Kern vor. Im Zellkern liegt die DNA geschützt des weiteren findet in ihm die Replikation statt. Die Chromatinstruktur und die Transkription wird im Zellkern organsiert.
Anordnung der Chromosomen: Während der Interphase nehmen die Chromosomen abgegrenzte Bereiche im Zellkern ein(auch Chromosomenterritorien genannt).Die Vertei-lung des Chromatins und somit der Chromosomen (innerhalb des Zellkerns) sieht auf den ersten Blick zufällig aus. Die Anordnung der Chromosomen zueinander wechselt meist von Kern zu Kern, Nachbarn in einem Kern können im nächsten Kern sehr weit auseinan-der liegen. Die DNA-Replikation erfolgt während der S-Phase nicht gleichmäßig, sondern an manchen Stellen der Chromosomen früher, an anderen später. Frühe oder späte Rep-likation sind dabei Eigenschaften, die für alle Abschnitte der Chromosomen in einem ge-gebenen Zelltyp konstant sind .Im Inneren des Kerns befinden sich meistens die früh repli-zierten Bereiche, während die spät replizierten Bereiche vorwiegend an der Kernhülle und um die Nucleoli herum lokalisiert sind. Für die Anordnung der Chromosomenterritorien im Zellkern wurde festgestellt das Chromosomen mit einer höheren Gendichte bevorzugt in der Mitte des Kerns liegen und die Chromosomen mit niedrieger Gendichte liegen häufig an der Periphere.
Kernteilung: Bei der Mitose und der Meiose, den bei eukaryontischen Zellen vorkom-menden Arten der Kernteilung, verschwindet der Zellkern zeitweilig, weil die Kernhülle während des Teilungsvorgangs aufgelöst wird .Während Chromosomen, während der Interphase keine lichtmikroskopisch sichtbaren Abgrenzungen ausbilden, kondensieren sie für die Kernteilung zu den kompakten Metaphase-Chromosomen. In dieser Transportform wird das Erbgut auf die Tochterzellen verteilt. Nach der Trennung bilden sich die Kernhül-len um die Chromosomen der Tochterzellen wieder aus und die Chromosomen dekondensieren wieder.
Mitochondrien
Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen. Sie sind in ihrer Gestalt und Größe unter-schiedlich, aber sind meistens bohnenförmig, sowie auch stäbchenförmig oder gekrümmt. Sie sind von einer Doppelmembran umschlossen, die man auch Organell nennt. Ihre Grö-ße beläuft sich um ca. 8 -10 um und hat ein Durchmesser von ca. 1,5 um. Die Mitochond-rien befinden sich in den Eucyte. Somit bestehen sie auch aus zwei Membranen, der Au-ßen – und Innenmembran. Die Äußere Membran ist ca. 7 um dick und glatt. Zusätzlich enthält sie reichlich Cholesterol und Phospholipide, und ist reich an Tunnelprotein, Porinen und ist deshalb für viele Stoffe permeabel (durchlässig). Die Innere Membrane sendet schlauchförmige (tabell), blattförmige (christae) oder sackförmige (saccali) Einstülpungen in den Innenraum(Matrix) aus. Die Fläche der Inneren Membrane zeichnet sich aus durch zahlreiche Einstülpungen, so vergrößert sich die Fläche zusätzlich auch ist sie durch zahl-reiche Körperchen besetzt, die Elementarpartikel bestehen aus Proteine , wie Lipiden, Phospholipiden und enthalten Enzyme der Atmungskette aber sie enthalten kein Choleste-rin, sondern Cardioipin, dass in Bakterienzellen vorkommt . Matrix ( Einstülpung der Innen-räume ) bestehen hauptsächlich aus Proteine und Lipiden, so wie auch die Ribosomen, außerdem weisen sie deine DNS- Stränge auf.
Die Abb. M2 zeigt die Form der Mitochondrienmembran und die eingeschlossenen Kom-partimente. Auf der Abb. M3 sieht man die Membran der Cristae mit “lollipop-ähnlichen” Gebilden auf der inneren Ober-fläche. Diese sind Elementarpartikel, die mit ihren energie-reichen Bindungen ATP herstellen. Man kann sie im normalen elektronenmikroskopischen Bild nicht sehen (siehe obige Abbildung).
Mitochondrien können je nach Zelltyp verschieden sein. Eine der wichtigsten Variationen findet man in den Steroidhormon produzierenden Zellen, wie die elektronenmikroskopi-sche Abbildung M4 zeigt. Mitochondrien sind aktiv an der Produktion der Steroidhormone beteiligt. Man unterscheidet sie durch ihre tubuläre Cristae (Ausstülpungen der inneren Membran in “Schnuller-Form”), die verzweigt sein können.
Die vom Organismus aufgenommene Nahrung wird verdaut, ins Blut aufgenommen, in die Zellen verteilt und dort oxidiert, um Speicherenergie zu produzieren. Die Oxidation des Traubenzuckers (Glucose), der in den meisten kohlenhydrathaltigen Speisen enthalten ist, heißt Zellatmung, die Oxidation der Fettsäuren aus den Fetten nennt man β-Oxidation.
Diese Energie wird in energiereichen Bindungen in einem Molekül namens Adenosintri-phosphat, oder ATP gespeichert. ATP wird aus Adenosindiphosphat (ADP) gebildet, in-dem eine Phosphatgruppe mit einer energiereichen Bindung geknüpft wird.
In der Zelle können verschiedene Reaktionen entweder die Energie nutzen (wobei ATP in ADP zurückverwandelt und die energiereiche Bindung gespalten wird) oder freisetzen (wobei ATP aus ADP gebildet wird). Mitochondrien entstehen durch bakterienähnliche Zweiteilung aus sich selbst.
Die Teilung zeigt das ELMI-Bild Abb. M6 und die Abb. M5.
Wenn die Mitochondrien verbraucht sind, werden sie in Zusammenarbeit von ER, Golgi-Apparat und Lysosomen abgebaut.
Endoplasmatisches Retikulum
Das Endoplasmatische Retikulum (abgekürzt ER) ist ein reich verzweigtes Kanalsystem großflächiger Hohlräume (Zisterne), das von Membranen umschlossen ist. Man findet das ER (mit Ausnahme von ausgereiften Erythrozyten) in allen eukaryontischen Zellen, je nach Zelltyp ist das ER unterschiedlich stark entwickelt.
Aufbau des ER: Das ER besteht aus einem weit verzweigten Membranen-Netzwerk aus Röhren und Zisternen, die von der ER-Membran umgeben sind. Die ER-Membran schließt das Innere des ERs, das ER-Lumen, vom Zytosol ab. Die ER-Membran geht direkt in die Kernhülle über, das heißt Kernhülle und ER stellen ein morphologisches Kontinuum dar. Das ER-Lumen steht mit dem Membranzwischenraum der Kernhülle in Verbindung. Teile des ER s werde „rau“ genannt, weil sie auf ihrer Membranfläche Ribosomen besitzen. An-dere Bereiche beschreibt man als „glatt“, weil diese Bereiche ribosomfrei sind. „Raues“ und „Glattes“ unterscheiden sich in ihren Funktionen. Die Struktur des ER ist dynamisch und einer steten Reorganisation unterworfen. Dazu gehören die Verlängerung oder auch Retraktion von Membrantubuli, ihre Verzweigung, Verschmelzung oder Aufspaltung. Das Zytoskelett bestimmt die Motilität des ER.
Aufgaben des ER: In der Nähe und im ER finden Translationen, Proteinfaltung, prosttranslationale Modifikation von Proteinen und Proteintransport von Transmembranproteinen und sekretorischen Proteinen statt. Desweiteren ist das ER der Ort, an dem (z.B. nach der Mitose) neue Kernmembranen gebildet und abgeschnürt wer-den. Auch dient das ER als intrazellulärer Calcium-Speicher, womit ihm eine Schlüsselrol-le in der Signaltransduktion zukommt.
Glattes ER (agranuläres ER): Das glatte ER spielt eine wichtige Rolle in mehreren meta-bolischen Prozessen. Enzyme des glatten ER sind von Bedeutung für die Synthese von verschiedenen Lipiden, Fettsäuren und Steroiden. Weiterhin spielt das glatte ER eine wichtig Rolle bei dem Kohlenhydratstoffwechsel, der Entgiftung der Zelle und bei der Ein-lagerung von Calcium.
Raues ER (granuläres ER) : Das raue ER hat im Gegensatz zum glatten ER nur zwei Aufgaben. Die Proteinbiosynthese und die Membranproduktion.
Ribosomen
Ribosomen sind makromolekulare Komplexe aus Proteinen und Ribonukleinsäuren (RNA), die im Cytoplasma, in den Mitochondrien und in den Chloroplasten vorkommen. An ihnen werden Proteine hergestellt und zwar entsprechend der Basensequenz der DNA, die die Information zur Aminosäuresequenz der Proteine enthält. Hier werden die einzelnen Ami-nosäuren in genau der Reihenfolge, die das jeweilige Gen vorschreibt, zu einem Ketten-molekül zusammengesetzt. Die jeweiligen Informationen zu den Aminosäurensequenzen in der DNA werden durch Boten-RNA (mRNA) vermittelt. Die Translation der mRNA am Ribosom ist ein zentraler Bestandteil der Proteinbiosynthese und kommt in allen Lebewe-sen vor.
Aufbau und Arten der Ribosomen: Ribosomen bestehen etwa aus zwei Drittel RNA (rRNA) und einem Drittel ribosomalen Proteinen. Sie setzen sich in allen Organismen aus zwei unterschiedlich großen und funktionell verschiedenen Untereinheiten zusammen. Die Größere der beiden Ribosomen wird durch ihr Sedimentationsverhalten charakterisiert,
welches in Svedberg-Einheiten (S) angegeben wird. Während der Translation assemblie-ren sie zu einem funktionalen Komplex, wobei die große Untereinheit in der Proteinbiosyn-these die Aminosäuren zur Kette verknüpfen (Peptidyltransferaktivität) und die kleine Untereinheit für die mRNA-Erkennung verantwortlich ist. Die beiden Untereinheiten beste-hen aus Proteinen und rRNA, wobei die Proteine für den Zusammenhalt und die richtige Positionierung zuständig ist. Die rRNS sorgt dafür, dass die eigentlichen Reaktionen vor-genommen werden. Beide Untereinheiten werden bei Eukaryonten in den Nucleoli inner-halb der Zellkerne gebildet und werden dann durch die Kernporen ins Cytoplasma geleitet. Es gibt prokaryotische Ribosomen, eukaryotische Ribosomen und freie und membranangebundene Ribosomen.
Golgi-Apparat
Der Golgi-Apparat zählt zu den Organellen eukaryotischer Zellen und bildet einen membranumschlossenen Reaktionsraum innerhalb der Zelle. Der Golgi. Apparat ist an der Sekretbildung und weiteren Aufgaben des Stoffwechsels beteiligt und wurde nach dem italienischen Pathologen Camillo Golgi benannt, der ihn 1898 bei historischen Forschun-gen am Gehirn entdeckte.
Aufbau: Der Golgi-Apparat besteht aus vier bis sechs membranumschlossenen Hohlräu-men. Er befindet sich meist nahe dem Zellkern und Zentrosom, was durch Mikrotubuli ge-währleistet wird. Teil weiße ist der Golgi-Apparat in den Zellen nicht auf diesen Raum ein-geschränkt und ist somit im gesamten Cytoplasma verteilt .Dieser Fall trifft aber eher auf die pflanzlichen Zellen zu .Die relative Ausdehnung des Golgi-Apparates in einer Zelle hängt eng mit ihrer Aktivität und Funktion zusammen und kann innerhalb einer Zelle tem-porär variieren. Am Golgi-Apparat lässt sich eine eindeutige Polarisierung feststellen. Die Seite, die dem ER zugewandt ist und abgeschnürte Vesikel von diesem empfängt ist kon-vex. Die Seite, die dem ER eher abgewandt ist, und somit dem Plasmamenbran zuge-wandt ist, ist eher konkav. Bei den Golgi-Netzwerken handelt es sich um mehrere kleinere Zisternen und Vesikel, die untereinander in Verbindung stehen. Die Zisternen zwischen den Golgi-Netzwerken werden Golgi-Stapel genannt.
Funktionen: Die Funktionen des Golgi-Apparates sind vielfältig und sehr komplex, lassen sich nach dem heutigen Wissensstand in drei Gruppen einteilen:
1. Bildung und Speicherung sekretorischer Vesikel (extrazelluläre Matrix, Tranmitter/Hormone)
2. Synthese und Modifizierung von Elementen der Plasmamembranen
3. Bildung von lysosoalen Proteinen (primäres Lysosom)
Glossar

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