Zellen-Biologie)

In diesem Artikel geht es um die grundlegende Einheit der Lebensformen. Für den Zweig der Biologie, der sie untersucht, siehe Zellen-Biologie.
Zelle
Wilson1900Fig2.jpg
Zwiebel (Allium cepa) Wurzelzellen in verschiedenen Phasen der Zellzyklus (gezeichnet von E. B. Wilson, 1900)
Celltypes.svg
A eukaryotisch Zelle (links) und prokaryotisch Zelle (rechts)
Kennungen
Gittergewebe D002477
Th H1.00.01.0.00001
Fma 686465
Anatomische Terminologie
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Das Zelle (von dem Latein Wort cellula bedeutet "kleines Zimmer"[1]) ist die grundlegende strukturelle und funktionelle Einheit von Lebensformen. Jede Zelle besteht aus a Zytoplasma in a eingeschlossen Membran, was viele enthält Biomoleküle wie zum Beispiel Proteine und Nukleinsäuren.[2]

Zellen können die bestimmte Funktion erfassen und verschiedene Aufgaben innerhalb der Zelle ausführen, wie Replikation, DNA -Reparatur, Proteinsynthese und Motilität. Zellen sind in der Lage, in der Zelle zu spezifizieren und zu mobilieren. Die meisten Zellen werden aufgrund ihrer geringen Größe in Mikrometern gemessen.

Die meisten Pflanzen- und Tierzellen sind nur unter a sichtbar Lichtmikroskopmit Abmessungen zwischen 1 und 100Mikrometern.[3] Elektronenmikroskopie Gibt eine viel höhere Auflösung, die eine stark detaillierte Zellstruktur zeigt. Organismen können als klassifiziert werden als Einenzichellig (bestehend aus einer einzelnen Zelle wie z. Bakterien) oder mehrzellig (einschließlich Pflanzen und Tiere).[4] Die meisten Einzeller werden als Mikroorganismen. Die Anzahl der Zellen in Pflanzen und Tieren variiert von Spezies zu Spezies; Es wurde angenähert, dass der menschliche Körper schätzungsweise 37 Billionen (3,72 × 10) enthält13) Zellen.[5] Das Gehirn macht rund 80 Milliarden dieser Zellen aus.[6]

Die Untersuchung von Zellen und ihre Arbeit haben zu vielen anderen Studien in verwandten Biologiebereichen geführt, darunter: Entdeckung von DNA, Krebssystembiologie, Altern und Entwicklungsbiologie.

Zellen-Biologie ist die Untersuchung von Zellen, die von entdeckt wurden durch Robert Hooke Im Jahr 1665, der sie für ihre Ähnlichkeit benannte Zellen bewohnt von Christliche Mönche in einem Kloster.[7][8] Zelltheorie, erstmals 1839 von 1839 entwickelt von Matthias Jakob Schleiden und Theodor Schwann, erklärt, dass alle Organismen aus einem oder mehreren Zellen bestehen, dass Zellen die grundlegende Struktur- und Funktionseinheit in allen lebenden Organismen sind und dass alle Zellen aus bereits bestehenden Zellen stammen.[9] Zellen sind vor etwa 4 Milliarden Jahren auf der Erde aufgetaucht.[10][11][12][13]

Zelltypen

Zellen sind von zwei Arten: eukaryotisch, die a enthalten Kern, und Prokaryotische Zellen, die keinen Kern haben, aber eine Nukleoidregion ist noch vorhanden. Prokaryoten sind Einzelzellorganismen, während Eukaryoten entweder einszellig sein können oder mehrzellig.[14]

Prokaryotische Zellen

Hauptartikel: Prokaryote
Struktur einer typischen prokaryotisch Zelle

Prokaryoten enthalten Bakterien und Archaeazwei der der drei Domänen des Lebens. Prokaryotische Zellen waren die erste Form von Leben auf der Erde, gekennzeichnet durch lebenswichtig Biologische Prozesse einschließlich Zellsignalisierung. Sie sind einfacher und kleiner als eukaryotische Zellen und fehlt a Kernund andere membrangebundene Organellen. Das DNA einer prokaryotischen Zelle besteht aus einer einzigen Kreischromosom Das steht in direktem Kontakt mit dem Zytoplasma. Die Kernregion im Zytoplasma wird als die genannt Nukleoid. Die meisten Prokaryoten sind die kleinsten aller Organismen im Durchmesser von 0,5 bis 2,0 & mgr; m.[15]

Eine prokaryotische Zelle hat drei Regionen:

  • Die Zelle einzuschließen ist die Zellumschlag - im Allgemeinen bestehend aus a Plasma Membran bedeckt von a Zellenwand was für einige Bakterien weiter von einer dritten Schicht bezeichnet werden kann, die als a bezeichnet werden kann Kapsel. Obwohl die meisten Prokaryoten sowohl eine Zellmembran als auch eine Zellwand haben, gibt es Ausnahmen wie Mycoplasma (Bakterien) und Thermoplasma (Archaea), die nur die Zellmembranschicht besitzen. Die Hülle verleiht der Zelle Starrheit und trennt das Innere der Zelle von ihrer Umgebung und dient als Schutzfilter. Die Zellwand besteht aus Peptidoglycan in Bakterien und wirkt als zusätzliche Barriere gegen Außenkräfte. Es verhindert auch, dass die Zelle expandiert und platzt (Zytolyse) aus osmotischer Druck Aufgrund eines hypoton Umgebung. Einige eukaryotische Zellen (Pflanzenzellen und Pilz- Zellen) haben auch eine Zellwand.
  • In der Zelle ist die zytoplasmatische Region das enthält die Genom (DNA), Ribosomen und verschiedene Arten von Einschlüssen.[16] Das genetische Material ist im Zytoplasma frei zu finden. Prokaryoten können tragen Extrachromosomale DNA Elemente genannt Plasmide, die normalerweise kreisförmig sind. Lineare bakterielle Plasmide wurden bei mehreren Arten von identifiziert Spirochet Bakterien, einschließlich Mitglieder der Gattung Borrelien vor allem Borrelia burgdorferi, was Lyme -Borreliose verursacht.[17] Obwohl nicht einen Kern bilden, die, die DNA ist in a kondensiert Nukleoid. Plasmide codieren zusätzliche Gene, wie z. Antibiotika Resistenz Gene.
  • Draußen, Flagella und Pili Projekt von der Oberfläche der Zelle. Dies sind Strukturen (nicht in allen Prokaryoten) aus Proteinen, die die Bewegung und Kommunikation zwischen Zellen erleichtern.
Struktur einer typischen Tierzelle
Struktur einer typischen Pflanzenzelle

Eukaryotische Zellen

Hauptartikel: Eukaryote

Pflanzen, Tiere, Pilze, Schleimformen, Protozoen, und Algen sind alle eukaryotisch. Diese Zellen sind etwa fünfzehn Mal breiter als ein typischer Prokaryote und können bis zu tausendmal höher sein. Das Hauptunterschiedsmerkmal von Eukaryoten im Vergleich zu Prokaryoten ist Fachabteilung: Das Vorhandensein von membrangebundenen Organellen (Fächer), in denen bestimmte Aktivitäten stattfinden. Am wichtigsten ist unter diesen Zellkern,[16] eine Organelle, die die Zelle beherbergt DNA. Dieser Kern gibt dem Eukaryoten seinen Namen an, was "wahrer Kernel (Nucleus)" bedeutet. Einige der anderen Unterschiede sind:

  • Die Plasmamembran ähnelt der von Prokaryoten in der Funktion mit geringfügigen Unterschieden im Setup. Zellwände können vorhanden sein oder nicht.
  • Die eukaryotische DNA wird in einem oder mehreren linearen Molekülen organisiert, genannt Chromosomen, die mit verbunden sind mit Histon Proteine. Alle chromosomalen DNA werden in der gespeichert Zellkern, vom Zytoplasma durch eine Membran getrennt.[16] Einige eukaryotische Organellen wie Mitochondrien enthalten auch etwas DNA.
  • Viele eukaryotische Zellen sind ciliert mit Primärzilien. Primärzilien spielen eine wichtige Rolle bei der Chemosensation, Mechanosensation, und Thermosensation. Jedes Kilium kann also "als sensorische Zell angesehen werden Antennen Dies koordiniert eine große Anzahl von zellulären Signalwegen, die manchmal die Signalübertragung mit der Ziliarmotilität oder alternativ zur Zellteilung und -differenzierung koppeln. "[18]
  • Motile -Eukaryoten können sich bewegen, um sich zu bewegen Motile Cilia oder Flagella. Motilzellen fehlen in Nadelbäume und blühende Plfanzen.[19] Eukaryotische Flagellen sind komplexer als die von Prokaryoten.[20]
Vergleich der Merkmale von prokaryotischen und eukaryotischen Zellen
Prokaryoten Eukaryoten
Typische Organismen Bakterien, Archaea Protisten, Pilze, Pflanzen, Tiere
Typische Größe ~ 1–5μm[21] ~ 10–100 μm[21]
Art der Kern Nukleoidregion; Kein wahrer Kern wahrer Kern mit Doppelmembran
DNA kreisförmig (normalerweise) lineare Moleküle (Chromosomen) mit Histon Proteine
RNA/Protein Synthese gekoppelt in der Zytoplasma RNA -Synthese im Kern
Proteinsynthese im Zytoplasma
Ribosomen 50s und 30s 60s und 40s
Zytoplasmatische Struktur Sehr wenige Strukturen hoch strukturiert von Endomembranen und ein Zytoskelett
Zellbewegung Flagella gemacht aus Flagellin Flagella und Zilien enthält Mikrotubuli; Lamellipodia und Filopodia enthält Aktin
Mitochondrien keiner ein bis mehrere Tausend
Chloroplasten keiner in Algen und Pflanzen
Organisation normalerweise einzelne Zellen Einzelzellen, Kolonien, höhere mehrzelluläre Organismen mit spezialisierten Zellen
Zellteilung Zellteilung (einfache Aufteilung) Mitose (Spaltung oder Knospen)
Meiose
Chromosomen Einzelchromosom mehr als ein Chromosom
Membranen Zellmembran

Zellformen

Es wurde angenommen, dass die Zellform, auch als Zellmorphologie bezeichnet wird, aus der Anordnung und Bewegung des Zytoskeletts bildet.[22] Viele Fortschritte bei der Untersuchung der Zellmorphologie stammen aus der Untersuchung einfacher Bakterien wie z. Staphylococcus aureusAnwesend E coli, und B. subtilis.[23] Es wurden verschiedene Zellformen gefunden und beschrieben, aber wie und warum Zellen unterschiedliche Formen bilden, ist immer noch weit verbreitet.[23] Einige Zellformen, die identifiziert wurden, umfassen Stäbe, Kokken und Spirochaeten. Cocci haben eine kreisförmige Form, Bazillen eine langgestreckte stäbchenartige Form und Spirochaeten haben eine Spiralform. Es wurden auch viele andere Formen bestimmt.

Subzelluläre Komponenten

Alle Zellen, ob prokaryotisch oder eukaryotisch, haben eine Membran Das umhüllt die Zelle, reguliert das, was sich ein- und ausstrahlt (selektiv durchlässig) und beibehält die elektrisches Potential der Zelle. Innerhalb der Membran die Zytoplasma Nimmt den größten Teil des Zellvolumens auf. Alle Zellen (außer rote Blutkörperchen denen ein Zellkern und die meisten Organellen fehlen, um einen maximalen Platz für den Platz zu erhalten Hämoglobin) besitzen DNA, das erbliche Material von Gene, und RNAdie Informationen enthalten, die erforderlich sind, um bauen verschiedene Proteine wie zum Beispiel Enzymedie Hauptmaschinerie der Zelle. Es gibt auch andere Arten von Biomoleküle in Zellen. Dieser Artikel listet diese primären auf Zelluläre Komponentenbeschreibt dann kurz ihre Funktion.

Zellmembran

Hauptartikel: Zellmembran
Detailliertes Diagramm der Lipiddoppelschicht der Zellmembran

Das Zellmembran, oder Plasmamembran, ist selektiv durchlässig[24] Biologische Membran Das umgibt das Zytoplasma einer Zelle. Bei Tieren ist die Plasmamembran die äußere Grenze der Zelle, während sie in Pflanzen und Prokaryoten normalerweise von a bedeckt ist Zellenwand. Diese Membran dient dazu, eine Zelle in ihrer Umgebung zu trennen und zu schützen, und wird hauptsächlich aus einem hergestellt Doppelte Schicht von Phospholipiden, welche sind Amphiphil (teilweise hydrophob und teilweise hydrophil). Daher wird die Schicht a genannt Phospholipid Doppelschichtoder manchmal eine flüssige Mosaikmembran. In diese Membran eingebettet ist eine makromolekulare Struktur genannt Porosom das universelle sekretorische Portal in Zellen und eine Vielzahl von Protein Moleküle, die als Kanäle und Pumpen wirken, die unterschiedliche Moleküle in die Zelle und aus der Zelle bewegen.[16] Die Membran ist semiperferbar und selektiv durchlässig, da sie entweder eine Substanz lassen kann (Molekül oder Ion) frei durchlaufen, in begrenztem Umfang durchlaufen oder gar nicht durchgehen. Zelloberflächenmembranen enthalten auch Rezeptor Proteine, die es Zellen ermöglichen, externe Signalmoleküle wie z. Hormone.

Zytoskelett

Hauptartikel: Zytoskelett
Ein fluoreszierendes Bild einer Endothelzelle. Kerne sind blau gefärbt, Mitochondrien sind rot gefärbt und Mikrofilamente sind grün gefärbt.

Das Zytoskelett organisiert und aufrechterhalten die Form der Zelle. verankert die Organellen an Ort und Stelle; hilft während Endozytose, die Aufnahme externer Materialien durch eine Zelle und Zytokinesedie Trennung von Tochterzellen danach Zellteilung; und bewegt Teile der Zelle in Wachstums- und Mobilitätsprozessen. Das eukaryotische Zytoskelett besteht aus Mikrotubuli, Zwischenfilamente und Mikrofilamente. Im Zytoskelett von a Neuron Die Zwischenfilamente sind als bekannt als Neurofilamente. Mit ihnen sind eine große Anzahl von Proteinen verbunden, wobei jede Struktur einer Zelle durch Regie, Bündelung und Ausrichtung von Filamenten kontrolliert wird.[16] Das prokaryotische Zytoskelett ist weniger gut untersucht, ist jedoch an der Aufrechterhaltung der Zellform beteiligt. Polarität und Zytokinese.[25] Das Untereinheitsprotein von Mikrofilamenten wird ein kleines monomeres Protein genannt Aktin. Die Untereinheit von Mikrotubuli ist ein dimeres Molekül genannt Tubulin. Zwischenfilamente sind Heteropolymere, deren Untereinheiten zwischen den Zelltypen in verschiedenen Geweben variieren. Einige der Untereinheitenproteine ​​von Zwischenfilamenten umfassen Vimentin, Desmin, Lamin (Lamins A, B und C), Keratin (mehrere saure und basische Keratine) und Neurofilamentproteine ​​(NF - L, NF - M).

Genmaterial

Hauptartikel: DNA und RNA
Desoxyribonukleinsäure (DNA)

Es gibt zwei verschiedene Arten von genetischem Material: Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Zellen verwenden DNA für ihre langfristige Informationsspeicherung. Die in einem Organismus enthaltenen biologischen Informationen sind codiert in seiner DNA -Sequenz.[16] RNA wird zum Informationstransport verwendet (z. B.,, mRNA) und enzymatisch Funktionen (z. B.,, ribosomal RNA). RNA übertragen (TRNA) -Moleküle werden verwendet, um Aminosäuren während des Proteins hinzuzufügen Übersetzung.

Prokaryotisches genetisches Material ist in einem einfachen organisiert kreisförmiges bakterielles Chromosom in dem Nukleoidregion des Zytoplasmas. Eukaryotisches genetisches Material ist in unterschiedliche, unterteilt,[16] Lineare Moleküle genannt Chromosomen In einem diskreten Kern, normalerweise mit zusätzlichem genetischen Material in einigen Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten (sehen Endosymbiotische Theorie).

A menschliche Zelle hat genetisches Material in der enthalten Zellkern (das Nukleargenom) und in den Mitochondrien (die Mitochondrial Genom). Beim Menschen wird das nukleare Genom in 46 lineare DNA -Moleküle unterteilt, die genannt werden Chromosomen, einschließlich 22 Homologe Chromosom Paare und ein Paar Sexchromosomen. Das mitochondriale Genom ist ein kreisförmiges DNA -Molekül, das sich von der Kern -DNA unterscheidet. Obwohl die Mitochondrien -DNA ist im Vergleich zu Kernchromosomen sehr klein,[16] Es kodiert für 13 Proteine, die an der Produktion mitochondrialer Energie und spezifischen TRNAs beteiligt sind.

Fremdes genetisches Material (am häufigsten DNA) kann durch einen Prozess genannt auch künstlich in die Zelle eingeführt werden Transfektion. Dies kann vorübergehend sein, wenn die DNA nicht in die Zelle eingefügt wird Genom, oder stabil, wenn es so ist. Sicher Viren Setzen Sie auch ihr genetisches Material in das Genom ein.

Organellen

Hauptartikel: Organelle

Organellen sind Teile der Zelle, die angepasst und/oder spezialisiert sind, um eine oder mehrere lebenswichtige Funktionen auszuführen, analog zu der Organe des menschlichen Körpers (wie Herz, Lunge und Niere, wobei jedes Organ eine andere Funktion ausführt).[16] Sowohl eukaryotische als auch prokaryotische Zellen haben Organellen, aber prokaryotische Organellen sind im Allgemeinen einfacher und nicht membrangebunden.

Es gibt verschiedene Arten von Organellen in einer Zelle. Einige (wie die Kern und Golgi Apparat) sind typischerweise einsam, während andere (wie z. Mitochondrien, Chloroplasten, Peroxisomen und Lysosomen) kann zahlreich sein (Hunderte bis Tausende). Das Cytosol ist die gallertartige Flüssigkeit, die die Zelle füllt und die Organellen umgibt.

Eukaryotisch

Menschliche Krebszellen spezifisch HeLa -Zellenmit blau gefärbter DNA. Die zentrale und rechtliche Zelle ist in InterphaseDaher ist ihre DNA diffus und die gesamten Kerne sind markiert. Die Zelle links geht durch Mitose und seine Chromosomen haben kondensiert.
  • Zellkern: Das Informationszentrum einer Zelle, die Zellkern ist die auffälligste Organelle in a eukaryotisch Zelle. Es beherbergt die Zellen Chromosomenund ist der Ort, an dem fast alle DNA Replikation und RNA Synthese (Transkription) geschehen. Der Kern ist kugelförmig und durch eine doppelte Membran vom Zytoplasma getrennt AtomhülleDer Raum zwischen diesen beiden Membran wird als perinuklearer Raum bezeichnet. Die nukleare Hüllkurve isoliert und schützt die DNA einer Zelle vor verschiedenen Molekülen, die versehentlich ihre Struktur beschädigen oder ihre Verarbeitung beeinträchtigen könnten. Während der Verarbeitung, DNA ist transkribiert, oder in ein besonderes kopiert RNA, genannt Messenger -RNA (mRNA). Diese mRNA wird dann aus dem Kern transportiert, wo sie in ein spezifisches Proteinmolekül übersetzt wird. Das Nucleolus ist eine spezialisierte Region innerhalb des Kerns, in dem Ribosomenuntereinheiten zusammengesetzt werden. In Prokaryoten findet die DNA -Verarbeitung in der statt Zytoplasma.[16]
  • Mitochondrien und Chloroplasten: Energie für die Zelle erzeugen. Mitochondrien sind selbstreplizierende doppelmembrangebundene Organellen, die in verschiedenen Zahlen, Formen und Größen im Zytoplasma aller eukaryotischen Zellen auftreten.[16] Atmung tritt in den Zell -Mitochondrien auf, die die Energie der Zelle erzeugen durch Oxidative Phosphorylierung, verwenden Sauerstoff Energie freizusetzen, die in zellulären Nährstoffen gespeichert ist (typischerweise bezieht sich auf Glucose) generieren ATP(aerobe Atmung). Mitochondrien vermehren sich mit Zellteilung, wie Prokaryoten. Chloroplasten können nur in Pflanzen und Algen gefunden werden, und sie fangen die Energie der Sonne, um Kohlenhydrate durchzuarbeiten Photosynthese.
Diagramm der Endomembransystem
  • Endoplasmatisches Retikulum: Das endoplasmatisches Retikulum (ER) ist ein Transportnetzwerk für Moleküle, die für bestimmte Modifikationen und bestimmte Ziele im Vergleich zu Molekülen, die im Zytoplasma frei schweben, abzielen. Der ER hat zwei Formen: die raue ER, die Ribosomen auf seiner Oberfläche hat, die Proteine ​​in die Notaufnahme und die glatte ER, deren Ribosomen fehlen.[16] Die glatte ER spielt eine Rolle bei der Calcium -Sequestrierung und -freisetzung und hilft auch bei der Synthese von Lipid.
  • Golgi Apparat: Die Hauptfunktion des Golgi -Apparats besteht darin, die zu verarbeiten und zu verpacken Makromoleküle wie zum Beispiel Proteine und Lipide das werden von der Zelle synthetisiert.
  • Lysosomen und Peroxisomen: Lysosomen enthalten Verdauungsenzyme (Säure Hydrolasen). Sie verdauen überschüssig oder abgenutzt Organellen, Lebensmittelpartikel und verschlungen Viren oder Bakterien. Peroxisomen haben Enzyme, die die Zelle des Gifts befreien PeroxideLysosomen sind bei saurem pH -Wert optimal aktiv. Die Zelle konnte diese zerstörerischen Enzyme nicht beherbergen, wenn sie nicht in einem membrangebundenen System enthalten waren.[16]
  • Zentrosom: Der Zytoskelett -Organizer: der Zentrosom produziert die Mikrotubuli einer Zelle - eine Schlüsselkomponente der Zytoskelett. Es lenkt den Transport durch die Ähm und die Golgi Apparat. Zentrosomen bestehen aus zwei Centrioles die senkrecht zueinander liegen, in der jeder eine Organisation wie a hat Wagenrad, die sich während des Teilens trennen Zellteilung und Hilfe bei der Bildung der mitotische Spindel. Ein einzelner Zentrosom ist in der vorhanden Tierzellen. Sie werden auch in einigen Pilzen und Algenzellen gefunden.
  • Vakuolen: Vakuolen Sequester Abfallprodukte und in Pflanzenzellen speichern Wasser. Sie werden oft als flüssiggefüllte Räume beschrieben und sind von einer Membran umgeben. Vor allem einige Zellen Amöbe, haben kontraktile Vakuolen, die Wasser aus der Zelle pumpen können, wenn zu viel Wasser vorhanden ist. Die Vakuolen von Pflanzenzellen und Pilzzellen sind normalerweise größer als die von tierischen Zellen. Vakuolen von Pflanzenzellen sind umgeben von Tonoplast Dies hilft beim Transport von Ionen und anderen Substanzen gegen Konzentrationsgradienten.

Eukaryotisch und prokaryotisch

  • Ribosomen: Das Ribosom ist ein großer Komplex von RNA und Protein Moleküle.[16] Sie bestehen jeweils aus zwei Untereinheiten und wirken als Assemblierungslinie, bei der RNA aus dem Kern verwendet wird, um Proteine ​​aus Aminosäuren zu synthetisieren. Ribosomen können entweder frei oder an eine Membran gebunden (das raue endoplasmatische Retikulum in Eukaryoten oder die Zellmembran in Prokaryoten gebunden).[26]
  • Plastiden: Plastid sind membrangebundene Organelle im Allgemeinen in Pflanzenzellen und vorhanden Euglenoide und enthalten spezifisch Pigmentedamit die Farbe der Pflanze und des Organismus beeinflusst. Und diese Pigmente helfen auch bei der Lagerung und Herstellung von Lichtenergie. Es gibt drei Arten von Plastiden, die auf den spezifischen Pigmenten basieren. Chloroplasten(enthält Chlorophyll und einige Carotinoidpigmente, die beim Abkippen von Lichtenergie während der Photosynthese helfen), Chromoplasten(Enthält fettlöslich Carotinoid Pigmente wie orange Carotin und gelbe Xanthophylle, die bei der Synthese und Lagerung helfen), Leukoplasten(sind nicht pigmentierte Plastiden und helfen bei der Lagerung von Nährstoffen).

Strukturen außerhalb der Zellmembran

Viele Zellen haben auch Strukturen, die ganz oder teilweise außerhalb der Zellmembran existieren. Diese Strukturen sind bemerkenswert, weil sie nicht durch die externe Umgebung geschützt sind Semipermeable Zellmembran. Um diese Strukturen zusammenzustellen, müssen ihre Komponenten durch Exportverfahren über die Zellmembran getragen werden.

Zellenwand

Weitere Informationen: Zellenwand

Viele Arten von prokaryotischen und eukaryotischen Zellen haben a Zellenwand. Die Zellwand schützt die Zelle mechanisch und chemisch vor ihrer Umgebung und ist eine zusätzliche Schutzschicht für die Zellmembran. Verschiedene Zellarten haben Zellwände aus verschiedenen Materialien. Pflanzenzellwände bestehen hauptsächlich aus Zellulose, Pilzezellwände bestehen aus Chitin und Bakterienzellwände bestehen aus Peptidoglycan.

Prokaryotisch

Kapsel

Eine gallertartige Kapsel ist in einigen Bakterien außerhalb der Zellmembran und der Zellwand vorhanden. Die Kapsel kann sein Polysaccharid wie in Pneumokokken, Meningokokken oder Polypeptid wie Bacillus anthracis oder Hyaluronsäure wie in Streptococci. Kapseln sind nicht durch normale Färbungsprotokolle gekennzeichnet und können durch erkannt werden Tusche oder Methylblau; Dies ermöglicht einen höheren Kontrast zwischen den Zellen zur Beobachtung.[27]: 87

Flagella

Flagella sind Organellen für die Zellmobilität. Das bakterielle Flagellum erstreckt sich vom Zytoplasma über die Zellmembran (en) und extruiert durch die Zellwand. Sie sind lange und dicke fadenartige Anhänge, Protein in der Natur. Eine andere Art von Flagellum findet sich in Archaea und in Eukaryoten findet sich ein anderer Typ.

Fimbriae

A Fimbria (Plural fimbriae auch als a bekannt Pilus, Plural Pili) ist ein kurzes, dünnes, haarartiges Filament auf der Oberfläche von Bakterien. Fimbriae werden aus einem Protein gebildet genannt Pilin (Antigen) und sind für die Bindung von Bakterien an bestimmte Rezeptoren an menschlichen Zellen verantwortlich (Zelladhäsion). Es gibt besondere Arten von Pili Bakterienkonjugation.

Zelluläre Prozesse

Prokaryoten Teilen durch Zellteilung, während Eukaryoten Teilen durch Mitose oder Meiose.

Reproduzieren

Hauptartikel: Zellteilung

Die Zellteilung beinhaltet eine einzelne Zelle (genannt a Mutterzelle) Teilen in zwei Tochterzellen. Dies führt zu einem Wachstum in mehrzellige Organismen (das Wachstum von Gewebe) und zu Fortpflanzung (Vegetative Reproduktion) in Einzeller. Prokaryotisch Zellen dividieren durch Zellteilung, während eukaryotisch Zellen werden normalerweise einem Prozess der nuklearen Teilung unterzogen, genannt Mitose, gefolgt von Teilung der Zelle, genannt Zytokinese. EIN diploid Zelle kann auch unterzogen werden Meiose Haploide Zellen zu produzieren, normalerweise vier. Haploid Zellen dienen als Gameten In mehrzelligen Organismen, die zu neuen diploiden Zellen verschmelzen.

DNA Replikation, oder der Prozess, das Genom einer Zelle zu duplizieren,[16] passiert immer, wenn sich eine Zelle durch Mitose oder binäre Spaltung trennt. Dies geschieht während der S -Phase der Zellzyklus.

Bei Meiose wird die DNA nur einmal repliziert, während sich die Zelle zweimal teilt. Die DNA -Replikation tritt erst vorher auf Meiose i. Die DNA -Replikation tritt nicht auf, wenn die Zellen das zweite Mal teilt, in Meiose II.[28] Die Replikation erfordert, wie alle zellulären Aktivitäten, spezialisierte Proteine ​​für die Ausführung des Jobs.[16]

Ein Überblick über die Katabolismus von Proteine, Kohlenhydrate und Fette

DNA -Reparatur

Hauptartikel: DNA -Reparatur

Im Allgemeinen enthalten Zellen aller Organismen Enzymsysteme, die ihre DNA nach scannen DNA -Schaden und ausführen Reparaturprozesse wenn Schaden erkannt wird.[29] In Organismen, die von Bakterien bis zum Menschen reichen, haben sich verschiedene Reparaturprozesse entwickelt. Die weit verbreitete Prävalenz dieser Reparaturprozesse zeigt an, wie wichtig es ist Mutation. E coli Bakterien sind ein gut untersuchtes Beispiel für einen zellulären Organismus mit vielfältigem genau definierter DNA -Reparatur Prozesse. Dazu gehören: (1) Nukleotid -Exzisionsreparatur, (2) DNA -Fehlpaarungsreparatur, (3) Nicht-Homologen-End-Beitritt von Doppelstrangbrüchen, (4) Rekombinationsreparatur und (5) lichtabhängige Reparatur (Photoreaktivierung).

Wachstum und Stoffwechsel

Ein Überblick über die Proteinsynthese.
Innerhalb der Kern der Zelle (hellblau), Gene (DNA, Dunkelblau) sind transkribiert hinein RNA. Diese RNA unterliegt dann einer modifizierten Veränderung und Kontrolle nach der Transkription, was zu einem ausgereiften Bereich führt mRNA (rot) das wird dann aus dem Kern und in die in die transportiert Zytoplasma (Pfirsich), wo es unterliegt Übersetzung in ein Protein. mRNA wird übersetzt durch Ribosomen (Violett) das entspricht der Drei-Basis Codons der mRNA zu den Drei-Base-Anti-Codons der angemessenen tRNA. Neu synthetisierte Proteine ​​(Schwarz) werden oft weiter modifiziert, wie durch Bindung an ein Effektormolekül (Orange), um voll aktiv zu werden.
Hauptartikel: Zellwachstum und Stoffwechsel

Zwischen aufeinanderfolgenden Zellabteilungen wachsen Zellen durch die Funktionsweise des zellulären Stoffwechsels. Der Zellstoffwechsel ist der Prozess, durch den einzelne Zellen Nährstoffmoleküle verarbeiten. Der Stoffwechsel hat zwei unterschiedliche Abteilungen: Katabolismus, in dem die Zell komplexe Moleküle abbricht, um Energie zu produzieren und Energie reduzieren, und anabolism, in dem die Zelle Energie verwendet und die Kraft reduziert, um komplexe Moleküle zu konstruieren und andere biologische Funktionen auszuführen. Der vom Organismus konsumierte komplexe Zucker kann in einfachere Zuckermoleküle unterteilt werden Monosaccharide wie zum Beispiel Glucose. Einmal in der Zelle ist Glukose abgebrochen, um Adenosintriphosphat zu machen (ATP),[16] Ein Molekül, das leicht verfügbare Energie besitzt, über zwei verschiedene Wege.

Proteinsynthese

Hauptartikel: Proteinbiosynthese

Zellen sind in der Lage, neue Proteine ​​zu synthetisieren, die für die Modulation und Aufrechterhaltung der zellulären Aktivitäten essentiell sind. Dieser Prozess beinhaltet die Bildung neuer Proteinmoleküle von Aminosäure Bausteine ​​basierend auf Informationen, die in DNA/RNA codiert sind. Die Proteinsynthese besteht im Allgemeinen aus zwei Hauptschritten: Transkription und Übersetzung.

Transkription ist der Prozess, bei dem genetische Informationen in DNA verwendet werden, um einen komplementären RNA -Strang zu erzeugen. Dieser RNA -Strang wird dann verarbeitet, um zu geben Messenger -RNA (mRNA), das frei ist, durch die Zelle zu wandern. mRNA-Moleküle binden an Protein-RNA-Komplexe, die genannt werden Ribosomen liegt in den Cytosol, wo sie in Polypeptidsequenzen übersetzt werden. Das Ribosom vermittelt die Bildung einer Polypeptidsequenz basierend auf der mRNA -Sequenz. Die mRNA -Sequenz bezieht sich direkt auf die Polypeptidsequenz durch Bindung an RNA übertragen (TRNA) Adaptermoleküle in Bindentaschen im Ribosom. Das neue Polypeptid faltet dann zu einem funktionellen dreidimensionalen Proteinmolekül.

Beweglichkeit

Hauptartikel: Beweglichkeit

Einenzichellige Organismen können sich bewegen, um Nahrung zu finden oder Raubtieren zu entkommen. Gemeinsame Bewegungsmechanismen umfassen Flagella und Zilien.

In mehrzelligen Organismen können sich Zellen bei Prozessen wie Wundheilung, der Immunantwort und bewegen Krebsmetastasierung. Zum Beispiel bewegen sich bei der Wundheilung bei Tieren weiße Blutkörperchen an die Wundstelle, um die Mikroorganismen abzutöten, die Infektionen verursachen. Die Zellmotilität umfasst viele Rezeptoren, Vernetzung, Bündelung, Bindung, Adhäsion, Motor und andere Proteine.[30] Der Prozess ist in drei Schritte unterteilt-einen Vorsprung der Vorderkante der Zelle, der Adhäsion der Vorderkante und der De-Adhäsion am Zellkörper und des Hecks sowie der Kontraktion des Zytoskeletts, um die Zelle nach vorne zu ziehen. Jeder Schritt wird durch physikalische Kräfte angetrieben, die durch einzigartige Segmente des Zytoskeletts erzeugt werden.[31][32]

Navigation, Kontrolle und Kommunikation

Siehe auch: Kybernetik § in Biologie

Im August 2020 beschrieb Wissenschaftler eine Art und Weise, wie Zellen - insbesondere Zellen eines Schleimform und Maus -Pankreaskrebs - abgeleitete Zellen - in der Lage sind navigieren Effizient durch einen Körper und identifizieren Sie die besten Routen durch komplexe Labyrinthe: Erzeugen von Gradienten nach dem Abbau der Diffuse Chemoattraktoren Dies ermöglicht es ihnen, bevorstehende Maze -Junctions zu spüren, bevor sie sie erreichen, einschließlich der Ecken.[33][34][35]

Mehrzelligkeit

Hauptartikel: Mehrzelliger Organismus

Zellspezialisierung/Differenzierung

Hauptartikel: Zelluläre Differenzierung
Färbung von a Caenorhabditis elegans Markiert die Kerne seiner Zellen.

Mehrzellige Organismen sind Organismen Das besteht im Gegensatz zu mehr als einer Zelle Einzelzellorganismen.[36]

In komplexen mehrzelligen Organismen sind Zellen auf verschiedene spezialisiert Zelltypen das sind an bestimmte Funktionen angepasst. Zu den Säugetieren gehören wichtige Zelltypen Hautzellen, Muskelzellen, Neuronen, Blutzellen, Fibroblasten, Stammzellen, und andere. Zelltypen unterscheiden sich sowohl im Aussehen als auch in der Funktion genetisch identisch. Zellen können gleich sein Genotyp aber von unterschiedlichem Zelltyp aufgrund des Differentials Ausdruck des Gene Sie beinhalten.

Die meisten unterschiedlichsten Zelltypen entstehen aus einem einzigen Totipotent Zelle, a Zygote, das unterscheidet in Hunderte verschiedener Zelltypen im Verlauf von Entwicklung. Die Differenzierung von Zellen wird durch unterschiedliche Umgebungshinweise (wie Zell -Zell -Wechselwirkung) und intrinsische Unterschiede (wie die durch die ungleichmäßige Verteilung von verursacht Moleküle während Aufteilung).

Ursprung der Mehrzelligkeit

Hauptartikel: Mehrzelliger Organismus

Multizellularität hat sich mindestens 25 Mal unabhängig weiterentwickelt,[37] einschließlich in einigen Prokaryoten, wie Cyanobakterien, Myxobakterien, Actinomyceten, Magnetoglobus multicellularis, oder Methanosarcina. Komplexe mehrzellige Organismen entwickelten sich jedoch nur in sechs eukaryotischen Gruppen: Tiere, Pilze, braune Algen, rote Algen, grüne Algen und Pflanzen.[38] Es entwickelte sich wiederholt für Pflanzen (Chloroplastida), ein- oder zweimal für Tiereeinmal für Braunalgenund vielleicht mehrmals für Pilze, Schleimpilze, und rote Algen.[39] Mehrzellularität kann sich aus entwickelt haben Kolonien von voneinander abhängigen Organismen, von Zellularisation, oder aus Organismen in Symbiotische Beziehungen.

Der erste Beweis für die Mehrzelligkeit ist aus Cyanobakterien-ähnliche Organismen, die vor 3 und 3,5 Milliarden Jahren lebten.[37] Andere frühe Fossilien von mehrzelligen Organismen sind die umkämpften Grypania Spiralis und die Fossilien der schwarzen Schiefer der Paläoproterozoikum Frankreichvillianische Gruppe Fossil B Bildung in Gabon.[40]

Die Entwicklung der Mehrzelligkeit von einzelligen Vorfahren wurde im Labor repliziert, in Evolutionsexperimente Verwenden von Prädation als die selektives Druck.[37]

Ursprünge

Hauptartikel: Evolutionsgeschichte des Lebens

Der Ursprung von Zellen hat mit dem zu tun Ursprung des Lebensdas begann das Geschichte des Lebens auf der Erde.

Ursprung der ersten Zelle

Stromatolithen werden von zurückgelassen von Cyanobakterien, auch blaugrüne Algen genannt. Sie sind die ältesten bekannten Fossilien des Lebens auf Erden. Dieses ein Milliarden Jahre alte Fossil stammt aus Glacier National Park in den Vereinigten Staaten.
Weitere Informationen: Abiogenese und Entwicklung von Zellen

Es gibt mehrere Theorien über den Ursprung kleiner Moleküle, die zum Leben auf der geführt haben frühe Erde. Sie könnten auf Meteoriten auf die Erde getragen worden sein (siehe Murchison Meteorit), hergestellt in Lüftungsöffnungen aus Tiefseeoder synthetisiert durch Blitz in einer reduzierenden Atmosphäre (siehe Müller -Ury -Experiment). Es gibt wenig experimentelle Daten, die definieren, was die ersten selbstreplizierenden Formen waren. RNA Es wird angenommen RNA -Welthypothese), aber eine andere Einheit mit dem Potenzial, sich selbst zu replikatieren Ton oder Peptid -Nukleinsäure.[41]

Die Zellen sind vor mindestens 3,5 Milliarden Jahren entstanden.[42][43][44] Die derzeitige Überzeugung ist, dass diese Zellen waren Heterotrophen. Die frühen Zellmembranen waren wahrscheinlich einfacher und durchlässiger als moderne, mit nur einer einzelnen Fettsäurekette pro Lipid. Es ist bekannt Vesikel in Wasser und hätte der RNA vorausgehen können, aber die ersten Zellmembranen könnten auch durch katalytische RNA produziert werden oder sogar Strukturproteine ​​benötigt, bevor sie sich bilden konnten.[45]

Ursprung eukaryotischer Zellen

Weitere Informationen: Entwicklung der sexuellen Reproduktion

Die eukaryotische Zelle scheint sich aus einem entwickelt zu haben Symbiotische Gemeinschaft von prokaryotischen Zellen. DNA-tragende Organellen wie die Mitochondrien und die Chloroplasten stammen von alten symbiotischen Sauerstoffatmung ab Alphaproteobakterien und "Cyanobakterien", die waren endosymbiiert von einem Stamm archaer Prokaryote.

Es gibt immer noch erhebliche Debatten darüber, ob Organellen die mögen Hydrogenosom vor dem Ursprung von Mitochondrienoder umgekehrt: siehe die Wasserstoffhypothese für den Ursprung eukaryotischer Zellen.

Geschichte der Forschung

Hauptartikel: Zelltheorie
Robert Hookes Zeichnung von Zellen in Kork, 1665

Siehe auch

Verweise

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Anmerkungen

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