Membranorganellen der Zelle

Zellorganellen

Organellen (Organellen) sind für alle Zellen obligatorische Mikrostrukturen und erfüllen bestimmte lebenswichtige Funktionen. Man unterscheidet zwischen Membran- und Nicht-Membran-Organellen. Zu den Membran-Organellen, die durch Membranen vom umgebenden Hyaloplasma getrennt sind, gehören das Endoplasmatische Retikulum, der innere Netzapparat (Golgi-Komplex), Lysosomen, Peroxisomen und Mitochondrien.

Membranorganellen der Zelle

Alle Membranorganellen bestehen aus Elementarmembranen, deren Organisationsprinzip dem Aufbau von Zytolemmen ähnelt. Zytophysiologische Prozesse sind mit ständiger Adhäsion, Fusion und Trennung von Membranen verbunden, während Adhäsion und Vereinigung nur topologisch identischer Membranmonoschichten möglich sind. Somit ist die dem Hyaloplasma zugewandte äußere Schicht jeder Organellenmembran identisch mit der inneren Schicht des Zytolemmas, und die dem Hohlraum der Organelle zugewandte innere Schicht ähnelt der äußeren Schicht des Zytolemmas.

Das endoplasmatische Retikulum (Reticulum endoplasmaticum) ist eine zusammenhängende Struktur, die aus einem System von Zisternen, Tubuli und abgeflachten Säckchen besteht. Elektronenmikroskopische Aufnahmen unterscheiden zwischen granulärem (rauem, körnigem) und nicht-granulärem (glattem, agranulärem) endoplasmatischem Retikulum. Die Außenseite des granulären Retikulums ist mit Ribosomen bedeckt, während die nicht-granuläre Seite ribosomenfrei ist. Das granuläre endoplasmatische Retikulum synthetisiert (an Ribosomen) und transportiert Proteine. Das nicht-granuläre Retikulum synthetisiert Lipide und Kohlenhydrate und ist an deren Stoffwechsel beteiligt (z. B. Steroidhormone in der Nebennierenrinde und den Leydig-Zellen (Sustenozyten) der Hoden; Glykogen in Leberzellen). Eine der wichtigsten Funktionen des endoplasmatischen Retikulums ist die Synthese von Membranproteinen und Lipiden für alle Zellorganellen.

Der innere retikuläre Apparat oder Golgi-Komplex (apparatus reticularis internus) ist eine Ansammlung von Beuteln, Vesikeln, Zisternen, Röhren und Platten, die von einer biologischen Membran begrenzt werden. Die Elemente des Golgi-Komplexes sind durch schmale Kanäle miteinander verbunden. In den Strukturen des Golgi-Komplexes werden Polysaccharide (Protein-Kohlenhydrat-Komplexe) synthetisiert, akkumuliert und aus den Zellen ausgeschieden. Auf diese Weise entstehen sekretorische Granula. Der Golgi-Komplex kommt in allen menschlichen Zellen mit Ausnahme der Erythrozyten und der Hornschuppen der Epidermis vor. In den meisten Zellen befindet sich der Golgi-Komplex um den Zellkern herum oder in dessen Nähe, in exokrinen Zellen oberhalb des Zellkerns im apikalen Teil der Zelle. Die innere konvexe Oberfläche der Strukturen des Golgi-Komplexes ist dem endoplasmatischen Retikulum zugewandt, die äußere konkave Oberfläche dem Zytoplasma.

Die Membranen des Golgi-Komplexes werden vom granulären endoplasmatischen Retikulum gebildet und von Transportvesikeln transportiert. Sekretorische Vesikel spalten sich ständig von der Außenseite des Golgi-Komplexes ab, und die Membranen seiner Zisternen werden ständig erneuert. Sekretorische Vesikel liefern Membranmaterial für die Zellmembran und die Glykokalyx. Dies gewährleistet die Erneuerung der Plasmamembran.

Lysosomen (Lysosomae) sind Vesikel mit einem Durchmesser von 0,2–0,5 µm, die etwa 50 verschiedene Arten hydrolytischer Enzyme (Proteasen, Lipasen, Phospholipasen, Nukleasen, Glykosidasen, Phosphatasen) enthalten. Lysosomale Enzyme werden an den Ribosomen des granulären endoplasmatischen Retikulums synthetisiert und von dort über Transportvesikel zum Golgi-Komplex transportiert. Primäre Lysosomen knospen von den Vesikeln des Golgi-Komplexes ab. In Lysosomen herrscht ein saures Milieu, der pH-Wert schwankt zwischen 3,5 und 5,0. Die Membranen der Lysosomen sind resistent gegen die darin enthaltenen Enzyme und schützen das Zytoplasma vor deren Einwirkung. Eine Verletzung der Permeabilität der lysosomalen Membran führt zur Aktivierung von Enzymen und schweren Zellschäden bis hin zum Zelltod.

In sekundären (reifen) Lysosomen (Phagolysosomen) werden Biopolymere in Monomere zerlegt. Letztere werden durch die lysosomale Membran in das Zellhyaloplasma transportiert. Unverdaute Substanzen verbleiben im Lysosom, wodurch das Lysosom in einen sogenannten Residualkörper mit hoher Elektronendichte umgewandelt wird.

Peroxisomen (Peroxysomae) sind Vesikel mit einem Durchmesser von 0,3 bis 1,5 µm. Sie enthalten oxidative Enzyme, die Wasserstoffperoxid zerstören. Peroxisomen sind am Abbau von Aminosäuren, am Stoffwechsel von Lipiden, einschließlich Cholesterin und Purinen, sowie an der Entgiftung vieler toxischer Substanzen beteiligt. Man geht davon aus, dass Peroxisomenmembranen durch Knospung aus dem nicht-granulären endoplasmatischen Retikulum gebildet werden und die Enzyme von Polyribosomen synthetisiert werden.

Mitochondrien (Mitochondrien), die „Energiestationen der Zelle“, sind an der Zellatmung und der Umwandlung von Energie in zellverwertbare Formen beteiligt. Ihre Hauptfunktionen sind die Oxidation organischer Substanzen und die Synthese von Adenosintriphosphat (ATP). Mitochondrien sind runde, längliche oder stäbchenförmige Gebilde mit einer Länge von 0,5–1,0 µm und einer Breite von 0,2–1,0 µm. Anzahl, Größe und Lage der Mitochondrien hängen von der Funktion der Zelle und ihrem Energiebedarf ab. In Kardiomyozyten, den Muskelfasern des Zwerchfells, finden sich viele große Mitochondrien. Sie befinden sich in Gruppen zwischen Myofibrillen, umgeben von Glykogengranula und Elementen des nicht-granulären endoplasmatischen Retikulums. Mitochondrien sind Organellen mit Doppelmembranen (jeweils etwa 7 nm dick). Zwischen der äußeren und inneren Mitochondrienmembran befindet sich ein 10–20 nm breiter Intermembranraum. Die innere Membran bildet zahlreiche Falten, sogenannte Cristae. Normalerweise verlaufen die Cristae quer zur Längsachse des Mitochondriums und reichen nicht bis zur gegenüberliegenden Seite der Mitochondrienmembran. Dank der Cristae vergrößert sich die Fläche der inneren Membran deutlich. So beträgt die Oberfläche der Cristae eines Mitochondriums eines Hepatozyten etwa 16 μm. Im Inneren des Mitochondriums, zwischen den Cristae, befindet sich eine feinkörnige Matrix, in der Granula mit einem Durchmesser von etwa 15 nm (mitochondriale Ribosomen) und dünne Fäden, die Desoxyribonukleinsäuremoleküle (DNA) darstellen, sichtbar sind.

Der ATP-Synthese in den Mitochondrien gehen erste Stadien im Hyaloplasma voraus. Dort werden (in Abwesenheit von Sauerstoff) Zucker zu Pyruvat (Brenztraubensäure) oxidiert. Gleichzeitig wird eine geringe Menge ATP synthetisiert. Die Hauptsynthese von ATP erfolgt auf den Membranen der Cristae in den Mitochondrien unter Beteiligung von Sauerstoff (aerobe Oxidation) und in der Matrix vorhandenen Enzymen. Bei dieser Oxidation wird Energie für Zellfunktionen freigesetzt und Kohlendioxid (CO ₂ ) und Wasser (H ₂ O) freigesetzt. In den Mitochondrien werden Informationsmoleküle, Transportmoleküle und ribosomale Nukleinsäuren (RNA) auf ihren eigenen DNA-Molekülen synthetisiert.

Die mitochondriale Matrix enthält auch Ribosomen mit einer Größe von bis zu 15 nm. Mitochondriale Nukleinsäuren und Ribosomen unterscheiden sich jedoch von ähnlichen Strukturen dieser Zelle. Daher verfügen Mitochondrien über ein eigenes System, das für die Proteinsynthese und Selbstreproduktion notwendig ist. Die Zunahme der Mitochondrienzahl in einer Zelle erfolgt durch ihre Teilung in kleinere Teile, die wachsen, an Größe zunehmen und sich erneut teilen können.

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