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1 Zelle und Gewebe

1.1 Zytologie (Zelllehre)

1.1.1 Zelle und Extrazellulärraum

Die Zelle wird als kleinste noch selbstständig lebens- und vermehrungsfähige Einheit des Körpers definiert ( ▶ Abb. 1.1). Einzellige Lebewesen sind z.B. Pantoffeltierchen oder Malariaerreger. Eine menschliche Zelle kann dagegen zwar als einzelne Zelle aus dem Körper isoliert werden, muss dann aber in einer ihren Bedürfnissen entsprechenden Nährlösung gehalten werden. Im mehrzelligen Organismus sind Zellen die einzelnen Bausteine der Gewebe und übernehmen in diesem Verbund festgelegte Aufgaben. Auch als hochspezialisierte Gewebezellen sind sie auf ein sehr genau festgelegtes Außenmedium angewiesen, die sog. extrazelluläre Flüssigkeit. Diese füllt den Extrazellulärraum (EZR) aus, entsprechend wird das Innere der Zelle Intrazellulärraum (IZR) genannt.

Die Größe der einzelnen Zelle schwankt von Zellart zu Zellart beträchtlich. So haben z. B. Lymphozyten einen Durchmesser von nur 5 μm, die menschliche Eizelle dagegen von über 100 μm, also 1/10 mm. Nervenzellen haben Ausläufer, die mehr als einen Meter lang werden können (!), aber nur wenige Mikrometer dick sind.

Die extrazelluläre Flüssigkeit umfasst die gesamte Menge an Körperflüssigkeit, die sich nicht in den Zellen befindet. Sie sichert den Zellen u.a. einen konstanten ▶ pH-Wert, eine gleichbleibende Ionenkonzentration sowie eine ausreichende Sauerstoff- und Nährstoffversorgung. Die extrazelluläre Flüssigkeit setzt sich zusammen aus:

• Blutplasma und Lymphflüssigkeit

• interstitieller Flüssigkeit (extrazelluläre Flüssigkeit zwischen den Körperzellen)

Hinsichtlich ihrer Salze entspricht die extrazelluläre Flüssigkeit weitgehend der Zusammensetzung von verdünntem Meerwasser. Man kann sich vorstellen, dass zu Beginn der Entwicklung vielzelliger Lebewesen aus einzelnen Zellen des „Urmeeres“ ein wenig des idealen Außenmediums, das Nährstoffe bereitstellte und gleichzeitig für die Entsorgung der Abfallstoffe sorgte, mit in die neue Lebensform genommen wurde.

Die höchste Konzentration darin hat Kochsalz (NaCl). Es liegt in Form von Ionen (elektrisch geladene Teilchen, Elektrolyte) vor. Außerdem kommen Kalium-, Kalzium-, Magnesium-, Bikarbonationen und negativ geladene Eiweiße (Proteine) vor.

Ungeachtet des Grades ihrer Spezialisierung bestehen alle tierischen und menschlichen Körperzellen aus denselben Grundelementen:

• Zellmembran und

• Zytoplasma.

Das mengenmäßige (quantitative) Verhältnis von Zellmembran zu Zytoplasma variiert jedoch je nach Zellart stark.

1.1.2 Zellmembran

1.1.2.1 Aufbau der Zellmembran

Was für unseren Körper die Haut ist, ist für die Körperzellen die Zellmembran. Sie grenzt die Zelle zur Außenwelt hin ab und ermöglicht es, das intrazelluläre (zellinnere) Milieu weitgehend unabhängig von der Zusammensetzung der interstitiellen Flüssigkeit zu regeln.

Bei allen tierischen Lebensformen und auch beim Menschen besteht die Zellmembran ( ▶ Abb. 1.2) aus einer doppelten Schicht Phospholipiden. Die einzelne Schicht ist nur eine einzige Moleküllage breit. Jedes Phospholipidmolekül hat 2 Enden:

• einen wasseranziehenden (hydrophilen) Kopf, welcher aus einer Phosphatgruppe (P) besteht und zum Extra- bzw. Intrazellulärraum hin orientiert ist, und

• eine wasserabweisende (hydrophobe) Schwanzgruppe aus einem Fettsäurerest (FS), mit der beide Moleküllagen einander anliegen.

In die Phospholipid-Doppelschicht sind sog. Membranproteine mosaikförmig eingelagert. Innerhalb der Membran sind die Moleküle allerdings nicht fest verankert: Das einzelne Phospholipidmolekül kann also innerhalb der Membran hin- und herschwimmen, es kann sie nur nicht selbstständig verlassen (Flüssigmosaikmodell). Gleiches gilt für Membranproteine, die in die Phospholipidschichten eingebaut sind. So kann die Membran leicht umgebaut werden – je nach Bedarf.

1.1.2.2 Transport von Stoffen durch die Zellmembran

Transport wasserlöslicher Stoffe

Aufgrund ihres Aufbaus, mit der in der Mitte gelegenen hydrophoben Schicht, bildet die Zellmembran für Wasser und darin gelöste Stoffe eine Barriere. Gase und fettlösliche Stoffe können sie dagegen leicht durchdringen. Um auch wasserlösliche Stoffe zu transportieren hat die Zelle besondere Transportmöglichkeiten, die sie sehr genau steuern kann.

Eingelagert in die Phospholipid-Doppelschicht sind Eiweiße, sog. Membranproteine. Eine ihrer wichtigsten Funktionen ist der Transport ausgewählter wasserlöslicher Stoffe durch die Zellmembran hindurch, die ansonsten die Membran nicht passieren könnten. Sie bilden spezielle Kanäle für Wasser und Ionen, Transporteiweiße (Carrier) oder Pumpen ( ▶ Abb. 1.2).

Transport großer Moleküle

Große Moleküle können die Zellmembran durch den vesikulären Transport überwinden. Dafür gibt es 2 Möglichkeiten:

• Endozytose (in die Zelle hinein)

• Exozytose (aus der Zelle heraus)

Endozytose Ein außerhalb der Zelle gelegenes Teilchen wird von einem Stück Zellmembran umschlossen und nach innen abgeschnürt. Das entstandene Bläschen (Vesikel) verliert dann seinen Kontakt zur Zellmembran und transportiert das aufgenommene Material an seinen Bestimmungsort in der Zelle ( ▶ Abb. 1.3).

Exozytose Als genaue Umkehrung der Endozytose verschmelzen bei der Exozytose Vesikel aus dem Zellinneren mit der Zellmembran und geben ihren Inhalt in die extrazelluläre Flüssigkeit ab.

Natürlich kann eine Zelle nicht unbegrenzt viele Vesikel aufnehmen oder abgeben, sonst wäre irgendwann die ganze Zellmembran „verbraucht“ oder die Zelle würde viel zu groß. Deshalb stehen Endo- und Exozytose in einem ständigen Fließgleichgewicht, sodass ein beliebiges Phospholipidmolekül sich einmal als Bestandteil der Zellmembran, ein andermal als Teil eines Vesikels wiederfindet.

Transzytose Ein Stoff wird in einen Vesikel verpackt und durch das Zytoplasma hindurch auf die andere Seite der Zelle gebracht. Die Transzytose ist also eine direkte Kombination von Endo- und Exozytose.

Glykokalix Die meisten Membranproteine besitzen an ihrer nach außen gerichteten Seite eine Kette aus Kohlenhydraten (Zuckerverbindungen), die sog. Glykokalix. Die Glykokalix ist an der Auswahl (Selektion) der Stoffe beteiligt, die in die Zelle aufgenommen werden sollen. Sie kann auch die Funktion eines Rezeptors, z.B. für Hormone, übernehmen. An die Glykokalix binden sich zudem Antikörper oder spezialisierte Zellen des Immunsystems. Da die Kohlenhydratketten bei jedem Menschen unterschiedlich sind, bildet die Glykokalix die Grundlage der...