Free Press

Zelldefinition

Zellen sind die Grundeinheit des Lebens. In der modernen Welt sind sie die kleinste bekannte Welt, die alle Funktionen des Lebens ausführt. Alle lebenden Organismen sind entweder Einzelzellen oder mehrzellige Organismen, die aus vielen zusammenarbeitenden Zellen bestehen.

Zellen sind die kleinste bekannte Einheit, die all diese Funktionen erfüllen kann. Zu den definierenden Merkmalen, die es einer Zelle ermöglichen, diese Funktionen zu erfüllen, gehören:

Im Folgenden werden wir die Funktionen erörtern, die Zellen erfüllen müssen, um Leben zu ermöglichen, und wie sie diese Funktionen erfüllen.

Funktion der Zellen

Wissenschaftler definieren sieben Funktionen, die ein lebender Organismus erfüllen muss. Diese sind:

1. Ein Lebewesen muss auf Veränderungen in seiner Umgebung reagieren.
2. Ein Lebewesen muss über seine Lebensspanne hinweg wachsen und sich entwickeln.
3. Ein Lebewesen muss in der Lage sein, sich fortzupflanzen oder Kopien von sich selbst herzustellen.
4. Ein Lebewesen muss einen Stoffwechsel haben.
5. Ein Lebewesen muss eine Homöostase aufrechterhalten, d. h. seine innere Umgebung muss unabhängig von äußeren Veränderungen gleich bleiben.
6. Ein Lebewesen muss aus Zellen bestehen.
7. Ein Lebewesen muss Eigenschaften an seine Nachkommen weitergeben.

Es ist die Biologie der Zellen, die es Lebewesen ermöglicht, all diese Funktionen auszuführen. Im Folgenden wird erörtert, wie sie die Funktionen des Lebens ermöglichen.

Wie Zellen funktionieren

Um sie zu erfüllen, müssen sie über:

• eine Zellmembran verfügen, die das Innere der Zelle von der Außenwelt trennt. Indem sie die chemischen Reaktionen des Lebens auf einen kleinen Bereich innerhalb der Membran konzentrieren, ermöglichen Zellen, dass die Reaktionen des Lebens viel schneller ablaufen, als sie es sonst tun würden.
• Genetisches Material, das in der Lage ist, Eigenschaften an die Nachkommen der Zelle weiterzugeben. Um sich fortzupflanzen, müssen die Organismen dafür sorgen, dass ihre Nachkommen über alle Informationen verfügen, die sie benötigen, um alle Funktionen des Lebens ausführen zu können, was alle modernen Zellen mit Hilfe der DNA bewerkstelligen, deren Basenpaarungseigenschaften es den Zellen ermöglichen, genaue Kopien der „Baupläne“ und des „Betriebssystems“ einer Zelle zu erstellen. Einige Wissenschaftler glauben, dass die ersten Zellen stattdessen RNA verwendet haben könnten.
• Proteine, die eine Vielzahl von Struktur-, Stoffwechsel- und Fortpflanzungsfunktionen erfüllen.
  Es gibt unzählige verschiedene Funktionen, die Zellen ausführen müssen, um Energie zu gewinnen und sich zu vermehren.
  Abhängig von der Zelle können Beispiele für diese Funktionen die Photosynthese, der Abbau von Zucker, die Fortbewegung, das Kopieren der eigenen DNA, das Durchlassen bestimmter Stoffe durch die Zellmembran und das Zurückhalten anderer Stoffe usw. sein.
  Proteine bestehen aus Aminosäuren, die wie die „Legos“ der Biochemie sind. Aminosäuren gibt es in verschiedenen Größen, verschiedenen Formen und mit verschiedenen Eigenschaften wie Polarität, Ionenladung und Hydrophobie.
  Indem sie Aminosäuren auf der Grundlage der Anweisungen in ihrem genetischen Material zusammensetzen, können die Zellen eine biochemische Maschinerie schaffen, um fast jede Funktion auszuführen.
  Einige Wissenschaftler glauben, dass die ersten Zellen RNA verwendet haben könnten, um einige lebenswichtige Funktionen zu erfüllen, und dann durch eine Mutation zu vielseitigeren Aminosäuren übergegangen sind, um diese Aufgabe zu erfüllen.

Die verschiedenen Zelltypen, die wir im Folgenden besprechen werden, haben unterschiedliche Möglichkeiten, diese Funktionen zu erfüllen.

Zelltypen

Aufgrund der Millionen von verschiedenen Lebensarten auf der Erde, die im Laufe der Zeit wachsen und sich verändern, gibt es unzählige Unterschiede zwischen den unzähligen existierenden Zelltypen.

Im Folgenden werden wir jedoch die beiden wichtigsten Zelltypen und zwei wichtige Unterkategorien von jedem betrachten.

Prokaryoten

Prokaryoten sind die einfachere und ältere der beiden Hauptzellarten. Prokaryoten sind einzellige Organismen. Bakterien und Archaebakterien sind Beispiele für prokaryotische Zellen.

Prokaryotische Zellen haben eine Zellmembran und eine oder mehrere Schichten, die sie zusätzlich vor der äußeren Umgebung schützen. Viele Prokaryonten haben eine Zellmembran aus Phospholipiden, die von einer Zellwand aus einem starren Zucker umschlossen ist. Die Zellwand kann von einer weiteren dicken „Kapsel“ aus Zuckern umschlossen sein.

Viele prokaryotische Zellen haben auch Flimmerhärchen, Schwänze oder andere Möglichkeiten, mit denen die Zelle ihre Bewegung kontrollieren kann.

Diese Merkmale sowie die Zellwand und die Kapsel spiegeln die Tatsache wider, dass prokaryotische Zellen in der Umwelt auf sich allein gestellt sind. Sie sind nicht Teil eines mehrzelligen Organismus, der ganze Zellschichten haben könnte, um andere Zellen vor der Umwelt zu schützen oder um Bewegung zu erzeugen.

Prokaryotische Zellen haben ein einziges Chromosom, das das gesamte wesentliche Erbmaterial und die Betriebsanweisungen der Zelle enthält. Dieses einzelne Chromosom ist in der Regel rund. Es gibt weder einen Zellkern noch andere interne Membranen oder Organellen. Das Chromosom schwimmt einfach im Zytoplasma der Zelle.

Zusätzliche genetische Merkmale und Informationen können in anderen Geneinheiten im Zytoplasma enthalten sein, die als „Plasmide“ bezeichnet werden, aber das sind in der Regel Gene, die von Prokaryoten durch den Prozess des „horizontalen Gentransfers“ hin und her weitergegeben werden, d. h. wenn eine Zelle einer anderen genetisches Material gibt. Plasmide enthalten nicht-essentielle DNA, auf die die Zelle verzichten kann und die nicht unbedingt an die Nachkommen weitergegeben wird.

Wenn eine prokaryotische Zelle zur Fortpflanzung bereit ist, erstellt sie eine Kopie ihres einzigen Chromosoms. Dann teilt sich die Zelle in zwei Hälften und teilt jeder Tochterzelle eine Kopie ihres Chromosoms und eine zufällige Auswahl von Plasmiden zu.

Es gibt zwei Haupttypen von Prokaryonten, die den Wissenschaftlern bisher bekannt sind: Archaebakterien, eine sehr alte Lebensform mit einigen biochemischen Unterschieden zu Bakterien und Eukaryonten, und Bakterien, die manchmal als „Eubakterien“ oder „echte Bakterien“ bezeichnet werden, um sie von den Archaebakterien zu unterscheiden.

Bakterien gelten als die „moderneren“ Nachkommen der Archaebakterien.

Beide Familien haben „Bakterien“ im Namen, weil die Unterschiede zwischen ihnen vor der Erfindung der modernen biochemischen und genetischen Analysetechniken nicht verstanden wurden.

Als Wissenschaftler begannen, die Biochemie und Genetik der Prokaryonten im Detail zu untersuchen, entdeckten sie diese beiden sehr unterschiedlichen Gruppen, die wahrscheinlich unterschiedliche Beziehungen zu den Eukaryonten und eine unterschiedliche Evolutionsgeschichte haben!

Einige Wissenschaftler sind der Meinung, dass Eukaryonten wie der Mensch enger mit den Bakterien verwandt sind, da Eukaryonten eine ähnliche Zellmembranchemie wie Bakterien haben. Andere meinen, dass Archaebakterien näher mit uns Eukaryoten verwandt sind, da sie ähnliche Proteine zur Vervielfältigung ihrer Chromosomen verwenden.

Wieder andere meinen, dass wir von beiden abstammen könnten – dass eukaryotische Zellen entstanden sein könnten, als Archaebakterien begannen, in einer Bakterienzelle zu leben, oder andersherum! Dies würde erklären, warum wir wichtige genetische und chemische Eigenschaften beider Arten haben und warum wir mehrere interne Kompartimente wie den Zellkern, Chloroplasten und Mitochondrien besitzen!

Eukaryoten

Eukaryotische Zellen gelten als der modernste große Zelltyp. Alle mehrzelligen Organismen, auch Sie, Ihre Katze und Ihre Zimmerpflanzen, sind Eukaryoten. Eukaryotische Zellen scheinen „gelernt“ zu haben, zusammenzuarbeiten, um mehrzellige Organismen zu schaffen, während Prokaryoten dazu nicht in der Lage zu sein scheinen.

Eukaryotische Zellen haben normalerweise mehr als ein Chromosom, das große Mengen an genetischer Information enthält. Im Körper eines mehrzelligen Organismus können verschiedene Gene innerhalb dieser Chromosomen ein- und ausgeschaltet werden, so dass Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionen im selben Organismus entstehen können.

Eukaryotische Zellen haben auch eine oder mehrere innere Membranen, was Wissenschaftler zu dem Schluss geführt hat, dass eukaryotische Zellen wahrscheinlich entstanden sind, als eine oder mehrere Arten von Prokaryonten begannen, in symbiotischen Beziehungen innerhalb anderer Zellen zu leben.

Organellen mit inneren Membranen, die in eukaryotischen Zellen zu finden sind, umfassen typischerweise:

• Für tierische Zellen – Mitochondrien, die die Energie aus Zucker freisetzen und sie auf äußerst effiziente Weise in ATP umwandeln.
  Mitochondrien haben sogar ihre eigene DNA, die von der Kern-DNA der Zellen getrennt ist, was die Theorie, dass sie früher unabhängige Bakterien waren, weiter unterstützt.
• Für Pflanzenzellen – Chloroplasten, die Photosynthese betreiben und ATP und Zucker aus Sonnenlicht und Luft herstellen.
  Chloroplasten haben auch ihre eigene DNA, was darauf hindeutet, dass sie als photosynthetische Bakterien entstanden sein könnten.
• Kern – In eukaryotischen Zellen enthält der Kern die wesentlichen DNA-Baupläne und Betriebsanweisungen für die Zelle.
  Es wird angenommen, dass die Kernhülle einen zusätzlichen Schutz für die DNA gegen Toxine oder Eindringlinge bietet, die sie beschädigen könnten.
  Es ist nicht bekannt, ob der Kern auch einmal ein endosymbiotischer Prokaryote gewesen sein könnte oder ob sich seine Membran einfach als zusätzliche Schutzschicht für die DNA der Zelle entwickelt hat.
• Endoplasmatisches Retikulum – Diese komplexe interne Membran ist ein wichtiger Ort der Proteinbildung für Zellen. Der evolutionäre Ursprung des endoplasmatischen Retikulums ist nicht bekannt.
• Golgi-Apparat – Dieser interne Membrankomplex kann als das „Postamt“ des endoplasmatischen Retikulums betrachtet werden. Er empfängt Proteine aus dem ER, verpackt und „etikettiert“ sie, indem er sie je nach Bedarf mit Zuckern anheftet, und schickt sie dann an ihren endgültigen Bestimmungsort!
• Sonstiges – Viele eukaryotische Zellen können vorübergehende interne Membran-„Säcke“ bilden, die „Vakuolen“ genannt werden, um Abfälle zu lagern oder wichtige Materialien zu verpacken.
  Einige Zellen haben zum Beispiel spezielle Vakuolen, die „Lysosomen“ genannt werden und mit ätzenden Substanzen und Verdauungsenzymen gefüllt sind. Die Zellen werfen ihren „Müll“ einfach in die Lysosomen, wo sie durch die raue Umgebung in einfachere Bestandteile zerlegt werden, die wiederverwendet werden können!

Beispiele für Zellen

Archaebakterien

Wie bereits erwähnt, sind Archaebakterien eine sehr alte Form prokaryontischer Zellen. Biologen ordnen sie sogar in eine eigene „Domäne“ des Lebens ein, die von anderen Bakterien getrennt ist.

Zu den wichtigsten Unterschieden zwischen Archaebakterien und anderen Bakterien gehören:

Die einzigartigen chemischen Eigenschaften der Archaebakterien ermöglichen es ihnen, in extremen Umgebungen zu leben, wie z. B. in überhitztem Wasser, extrem salzigem Wasser und in einigen Umgebungen, die für alle anderen Lebensformen giftig sind.

Wissenschaftler waren in den letzten Jahren sehr begeistert von der Entdeckung der Lokiarchaeota – einer Art von Archaebakterien, die viele Gene mit Eukaryonten teilen, die zuvor nie in prokaryotischen Zellen gefunden worden waren!

Man vermutet nun, dass Lokiarchaeota unsere nächsten lebenden Verwandten in der Welt der Prokaryonten sein könnten.

Bakterien

Sie sind wahrscheinlich mit der Art von Bakterien vertraut, die Sie krank machen können. In der Tat sind häufige Krankheitserreger wie Streptokokken und Staphylokokken prokaryotische Bakterienzellen.

Aber es gibt auch viele Arten von nützlichen Bakterien – darunter solche, die tote Abfälle abbauen, um nutzlose Materialien in fruchtbaren Boden zu verwandeln, und Bakterien, die in unserem eigenen Verdauungstrakt leben und uns bei der Verdauung der Nahrung helfen.

Bakterienzellen findet man häufig in symbiotischen Beziehungen mit mehrzelligen Organismen wie uns, im Boden und überall dort, wo es für sie nicht zu extrem ist!

Pflanzenzellen

Pflanzenzellen sind eukaryotische Zellen, die Teil von mehrzelligen, photosynthetischen Organismen sind.

Pflanzenzellen haben Chloroplastenorganellen, die Pigmente enthalten, die Photonen des Lichts absorbieren und die Energie dieser Photonen ernten.

Chloroplasten haben die bemerkenswerte Fähigkeit, Lichtenergie in Zellbrennstoff umzuwandeln und diese Energie zu nutzen, um Kohlendioxid aus der Luft zu nehmen und es in Zucker umzuwandeln, der von Lebewesen als Brennstoff oder Baumaterial verwendet werden kann.

Pflanzenzellen haben nicht nur Chloroplasten, sondern auch eine Zellwand aus starren Zuckern, die es den Pflanzengeweben ermöglicht, ihre aufrechten Strukturen wie Blätter, Stämme und Baumstämme zu erhalten.

Pflanzenzellen haben auch die üblichen eukaryotischen Organellen wie einen Zellkern, ein endoplasmatisches Retikulum und einen Golgi-Apparat.

Tierische Zellen

Betrachten wir in dieser Übung eine tierische Zelle, die für dich von großer Bedeutung ist: deine eigene Leberzelle.

Wie alle tierischen Zellen hat sie Mitochondrien, die die Zellatmung durchführen und Sauerstoff und Zucker in große Mengen ATP für die Zellfunktionen umwandeln.

Sie hat auch die gleichen Organellen wie die meisten tierischen Zellen: einen Zellkern, ein endoplasmatisches Retikulum, einen Golgi-Apparat usw.

Als Teil eines vielzelligen Organismus exprimiert deine Leberzelle aber auch einzigartige Gene, die ihr einzigartige Eigenschaften und Fähigkeiten verleihen.

Leberzellen enthalten insbesondere Enzyme, die viele Giftstoffe abbauen, was es der Leber ermöglicht, Ihr Blut zu reinigen und gefährliche Körperabfälle abzubauen.

Die Leberzelle ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie mehrzellige Organismen effizienter sein können, wenn verschiedene Zelltypen zusammenarbeiten.

Dein Körper könnte ohne Leberzellen, die bestimmte Gifte und Abfallprodukte abbauen, nicht überleben, aber die Leberzelle selbst könnte ohne Nerven- und Muskelzellen, die uns bei der Nahrungssuche helfen, und einen Verdauungstrakt, der die Nahrung in leicht verdauliche Zucker aufspaltet, nicht überleben.

Und alle diese Zelltypen enthalten die Informationen, aus denen alle anderen Zelltypen entstehen! Es geht einfach darum, welche Gene während der Entwicklung „ein-“ oder „ausgeschaltet“ werden.

• Epigenetik – Der Prozess, bei dem Gene „ein-“ oder „ausgeschaltet“ werden, indem chemische Gruppen von Teilen des Chromosoms hinzugefügt oder entfernt werden.
• Eukaryonten – Komplexe Zellen mit mehreren Chromosomen und internen Organellen wie Mitochondrien, Chloroplasten und Kernen.
• Prokaryonten – Einzeller mit einer einfachen Struktur, typischerweise mit einem Chromosom und ohne interne Organellen.

Quiz

1. Welche der folgenden ist KEINE wesentliche Funktion, die alle Lebewesen erfüllen müssen?
A. Ein Lebewesen muss sich fortpflanzen.
B. Ein Lebewesen muss in der Lage sein, seine innere Umgebung unabhängig von äußeren Veränderungen zu erhalten.
C. Ein Lebewesen muss auf Veränderungen in seiner Umgebung reagieren.
D. Keiner der oben genannten Punkte.

2. Welche der folgenden ist KEINE Art von prokaryotischen Zellen?
A. Archaebakterien
B. Staphylococcus-Bakterien
C. Streptokokken-Bakterien
D. Leberzelle

3. Welche der folgenden ist KEINE eukaryotische Zellorganelle?
A. Plasmid
B. Nukleus
C. Mitochondrien
D. Chloroplast