Zellbiologie ist die Lehre von der Struktur, Funktion und dem Verhalten von Zellen. Alle lebenden Organismen bestehen aus Zellen, die grob in Prokaryoten (Bakterien und Archaeen) und Eukaryoten (Protisten, Pilze, Pflanzen und Tiere) unterteilt werden können.
Prokaryotische Zellstruktur
Das Nukleoid ist eine Region im Zytoplasma, die ein einzelnes, zirkuläres Chromosom (dsDNA) enthält, das durch Topoisomerasen supergewunden ist; Im Gegensatz zu Eukaryoten gibt es keine Kernmembran. Ribosomen sind 70S-Untereinheiten (50S + 30S-Untereinheiten), die aus rRNA und Proteinen bestehen und für die Proteinsynthese verantwortlich sind. Ihre 70S-Größe unterscheidet sie von eukaryontischen 80S-Ribosomen. Die Zytoplasmamembran ist eine Phospholipiddoppelschicht mit eingebetteten Proteinen, die als selektive Permeabilitätsbarriere, als Ort des Elektronentransports und der ATP-Synthese (oxidative Phosphorylierung) und als Sekretionsapparat fungiert. Die Zellwand ist eine Peptidoglycan Schicht (grampositiv oder gramnegativ), die die Zellform beibehält und dem osmotischen Druck standhält. Flagellen sorgen über einen Rotationsmotor für Beweglichkeit, während Pili (Fimbrien) die Adhäsion an Oberflächen und anderen Zellen vermitteln.
Eukaryotische Zellstruktur
Die Plasmamembran ist eine Phospholipid-Doppelschicht mit Cholesterin (in Prokaryoten nicht vorhanden), die eingebettete Proteine für den Transport, die Signalübertragung und die Zell-Zell-Erkennung enthält. Das Fluid-Mosaik-Modell beschreibt seine dynamische Natur. Der Kern ist von einer doppelten Kernmembran (Hülle) mit Kernporen umgeben, die den molekularen Verkehr regulieren, und enthält Chromatin (DNA + Histone), den Nukleolus (rRNA-Synthese) und Nukleoplasma.
Endomembransystem
Das endoplasmatische Retikulum existiert in zwei Formen: raues ER (besetzt mit Ribosomen) für die Proteinsynthese und -faltung und glattes ER für Lipidsynthese, Kohlenhydratstoffwechsel und Kalziumspeicherung. Der Golgi-Apparat ist ein Stapel abgeflachter Zisternen, der Proteine für die Sekretion (konstitutiv oder reguliert) oder die Abgabe an andere Organellen modifiziert, sortiert und verpackt. Lysosomen sind membrangebundene Vesikel, die hydrolytische Enzyme (saure Hydrolasen, optimaler pH-Wert ~5) zum Abbau von Makromolekülen, Krankheitserregern und beschädigten Organellen durch Autophagie enthalten.
Energieproduzierende Organellen
Mitochondrien sind Doppelmembranorganellen mit einer zu Cristae gefalteten Innenmembran; Sie sind der Ort der oxidativen Phosphorylierung, die über die Elektronentransportkette und chemiosmotische Kopplung ATP erzeugt. Sie enthalten ihre eigene zirkuläre DNA (mtDNA) und 70S-Ribosomen, ein Beweis für ihren endosymbiotischen Ursprung. Chloroplasten (in Algen und Pflanzen) sind ebenfalls Doppelmembranorganellen mit Thylakoidstapeln (Grana) für die Photosynthese und enthalten ihre eigene DNA und Ribosomen.
Zytoskelett
Mikrofilamente (Aktin) haben einen Durchmesser von 7 nm und sind an der Zellbewegung, der Zytokinese und der Aufrechterhaltung der Zellform beteiligt, indem sie aus ATP-Aktinmonomeren polymerisieren. Mikrotubuli sind hohle Röhren mit einem Durchmesser von 25 nm, die aus α/β-Tubulin-Dimeren bestehen, die die mitotische Spindel, Zilien und Flagellen (9+2-Anordnung) bilden und als Bahnen für den intrazellulären Transport über Kinesin- und Dynein-Motoren dienen. Zwischenfilamente haben einen Durchmesser von 10 nm und bestehen aus verschiedenen Proteinen (Keratin, Vimentin, Lamin), die für mechanische Festigkeit und Kernstrukturunterstützung sorgen.
Zellteilung
Mitose ist eine Kernteilung, die zwei genetisch identische Tochterzellen (Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase) hervorbringt und für Wachstum und Gewebereparatur verwendet wird. Die Meiose umfasst zwei Teilungsrunden (Meiose I und II), bei denen vier nichtidentische haploide Gameten mit genetischer Variation durch Kreuzung und unabhängiger Sortierung entstehen. Zytokinese ist die Teilung des Zytoplasmas, die bei tierischen Zellen durch einen Aktin-Myosin-Kontraktilring oder bei Pflanzenzellen durch eine Zellplatte erreicht wird.
