miniatur|Beispiel für einen prokaryotischen Einzeller: Bacillus subtilis miniatur|Beispiel für einen eukaryotischen Einzeller: Paramecium aurelia mini|Zellen: Systematik

Eine Zelle () ist die kleinste lebende Einheit aller Organismen. Man unterscheidet Einzeller, also Lebewesen, die nur aus einer Zelle bestehen, und Mehrzeller, also Lebewesen, die aus mehr als nur einer Zelle bestehen. Besteht das Lebewesen aus vielen Zellen (Vielzeller), können Zellen zu funktionellen Einheiten verbunden sein und dadurch Gewebe bilden. Der menschliche Körper besteht aus mehreren hundert verschiedenen Zell- und Gewebetypen. Evolutionsbiologisch betrachtet und im Vergleich zu Einzellern haben die Zellen von Vielzellern größtenteils ihre Fähigkeit, für sich allein leben zu können, verloren und haben sich auf eine Arbeitsteilung in Geweben spezialisiert.

Die Wissenschaft und Lehre von den Zellen der Lebewesen ist die Zytologie ().

Grundlagen Jede Zelle ist ein strukturell abgrenzbares, eigenständiges und selbsterhaltendes System. Sie ist in der Lage, Nährstoffe aufzunehmen und die darin gebundene Energie durch Stoffwechsel für sich nutzbar zu machen. Neue Zellen entstehen durch Zellteilung. Die Zelle enthält die Informationen für all diese Funktionen bzw. Aktivitäten. Zellen haben grundlegende Fähigkeiten, die als Merkmale des Lebens bezeichnet werden, wobei nicht jede Zelle alle diese Eigenschaften haben muss: Vermehrung durch Zellteilung Stoff- und Energiewechsel (Nahrungsaufnahme, Aufbau von Zellstrukturen oder Energieumsatz) Reaktion auf Reize (externe oder interne Reize, auf abiotische Faktoren wie Temperatur oder Nahrungsangebot, auf biotische Faktoren wie Fressfeinde und viele andere) Möglichkeit der Bewegung (zum Beispiel durch Flagellen, auch in der Zelle bewegen sich Proteine und Vesikel) Merkmal der Strukturiertheit (morphologisch und dynamisch) Wachstum und Entwicklung Nekrose

Im Laufe der Evolution haben sich zwei Gruppen von Lebewesen gebildet, die sich durch die Struktur ihrer Zellen stark unterscheiden: zum einen die Prokaryoten, die aus einfach gebauten Zellen ohne Zellkern bestehen, und zum anderen die Eukaryoten, die aus Zellen bestehen, die wesentlich komplizierter strukturiert sind und einen Zellkern besitzen. Prokaryoten und Eukaryoten können sowohl als Einzeller als auch als Mehrzeller auftreten. Bei den Mehrzellern bilden Zellen sogenannte Zweckverbände. Meist teilen sie sich Funktionen und sind oft einzeln nicht mehr lebensfähig. Durch die Spezialisierung in Vielzellern sind die oben beschriebenen Fähigkeiten eingeschränkt.

Die Größe von Zellen variiert stark. Normalerweise haben sie einen Durchmesser zwischen 1 und 30 Mikrometer; Eizellen höherer Tiere sind oft deutlich größer als die übrigen Zellen. Beispielsweise hat die Eizelle eines Straußes einen Durchmesser von über 70 mm. Die Eizelle des Menschen hat einen Durchmesser von 0,15 mm; sie ist seine größte Zelle und die einzige, die mit bloßem Auge erkennbar ist.

Die prokaryotische Zelle

mini|Schema einer prokaryotischen Zelle (Bakterium) Prokaryotische Zellen besitzen keinen echten Zellkern wie die eukaryotischen Zellen und haben eine einfachere innere Organisation als eukaryotische Zellen. Man bezeichnet sie auch als Procyten oder Protocyten. Lebewesen mit prokaryotischen Zellen nennt man Prokaryoten. Zu ihnen gehören die Bakterien und die Archaeen. Sie treten meist als einzellige Organismen auf.

Prokaryotische Zellen kann man im Allgemeinen durch folgende Merkmale von eukaryotischen Zellen unterscheiden: Sie haben eine einfachere Struktur und bilden seltener Kompartimente. Die DNA liegt frei im Cytoplasma vor und ist nicht durch Histone (spezielle Proteine) stabilisiert, ist also nicht in einem echten Chromosom organisiert. Sie ist auf engem Raum angeordnet und wird als Nucleoid bezeichnet. Das Genom besteht meist nur aus einem einzelnen DNA-Molekül, welches als „Bakterienchromosom“ bezeichnet wird. Oft ist dieses DNA-Molekül in sich geschlossen. Die Zellhüllen sind häufig komplex aufgebaut, teilweise sogar mit zwei Membranen. Die Ribosomen sind immer kleiner (Sedimentationskoeffizient 70 S) als in eukaryotischen Zellen (80 S).

Prokaryoten zeichnen sich durch ein weites Spektrum physiologischer und ökologischer Typen aus. Einige sind auch unter extremen Bedingungen lebensfähig (Temperaturbereich bis über 100 °C); oxisches oder anoxisches Milieu; saures Milieu (pH-Wert 1–4); hohe hydrostatische Drücke (1000 bar). Viele leben parasitär, symbiotisch oder saprovor, einige sind pathogen (krankheitserregend). Häufig enthalten sie Plasmide (extrachromosomale, in sich geschlossene oder lineare DNA-Elemente). Weiterhin besitzen Prokaryoten nur beschränkt die Fähigkeit, sich zu differenzieren, zum Beispiel bei der Sporenbildung (unter anderem Endosporenbildung bei Bacillus subtilis).

Die eukaryotische Zelle

mini|Organisation einer typischen eukaryotischen Tierzelle: 1. Nucleolus (Kernkörperchen) 2. Zellkern (Nukleus) 3. Ribosomen 4. Vesikel 5. Raues (Granuläres) ER (Ergastoplasma) 6. Golgi-Apparat 7. Mikrotubuli 8. Glattes (Agranuläres) ER 9. Mitochondrien 10. Lysosom 11. Cytoplasma 12. Peroxisomen 13. Zentriolen

Eukaryotische Zellen werden auch als Eucyten bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zu prokaryotischen Zellen (Procyten) ist die Existenz eines Zellkerns mit einer Kernhülle um die in Chromosomen organisierte DNA. Die Kernhülle besteht aus zwei Membran­lagen mit Zwischenraum, einer sog. Doppelmembran, und ist typischerweise etwa 15 Nanometer dick. Eukaryotische Zellen sind wesentlich differenzierter als prokaryotische. Ihre Vielzahl resultiert aus den sehr verschiedenen Funktionen, die sie zu erfüllen haben. – Die mittlere Zellmasse von Eucyten beträgt etwa 2,5 Nanogramm. Ihre Länge reicht von einigen Mikrometern bis hin zu mehreren Zentimetern bei Myozyten (Muskelfaserzellen).

Eine Sonderstellung unter den Eucyten nehmen die Nervenzellen (Neuronen) ein. Diese reichen vom Rückenmark bis hinein in die peripheren Extremitäten.

Unterschiede zwischen pflanzlichen, tierischen und Pilz-Zellen Zellen von Tieren, Pflanzen und Pilzen gehören zu den eukaryotischen Zellen, aber es gibt einige Unterschiede in ihrer Struktur. Die folgende Tabelle listet charakteristische Unterschiede auf: Eigenschaft pflanzliche Zellen tierische Zellen Pilz-Zellen Zellwand, Hauptbestandteile immer vorhanden, mit Cellulose, in Weichholz auch viel Glucomannan, oft als Galactoglucomannan immer ohne Zellwände regelmäßig vorhandenC. J. Alexopoulos, C. W. Mims, M. Blackwell: Introductory Mycology. John Wiley and Sons, 1996, ISBN 0-471-52229-5., mit Chitin (Zellwände können jedoch zwischen Zellen entfallen) Plastiden immer vorhanden, meist als (grüne) Chloroplasten nie vorhanden nie vorhanden Vakuolen immer vorhanden (umgebende Membran: Tonoplast) meist nicht vorhanden (aber charakteristisch für Adipozyten) immer vorhanden energiereiches Kohlenhydrat-Speichermolekül Stärke GlykogenJ. Lomako, W. M. Lomako, W. J. Whelan: Glycogenin: the primer for mammalian and yeast glycogen synthesis. In: Biochim. Biophys. Acta. Band 1673, 2004, S. 45–55 (PMID 15238248). Glykogen Interzellularraum in Geweben Mittellamelle mit Kontaktbereichen (Tüpfel), kein Kollagen Extrazelluläre Matrix, immer mit Kollagen kein Kollagen Zellteilung (in der Regel Zellmembraneinschnürung, auch Knospung kann vorkommen) danach Bildung der Zellwand zwischen den Tochterzellen Stoffaustausch mit Nachbarzellen teilweise über Plasmodesmen, die aus Zellteilungen herrühren über Desmosomen oder Gap Junctions, die nach der vollständigen Zellteilung als Neubildungen entstanden sind Gap Junctions oder ähnliche Strukturen Lysosomen können, müssen aber nicht, enthalten sein vorhanden, oft in der Rolle einer lytischen Vakuole Zellkern in der Interphase immer singulär vorhanden meistens vorhanden (fehlend z. B. in menschlichen Erythrozyten) meistens vorhanden, kann in Plasmodien oder Synzytien unauffindbar bzw. mehrfach vorhanden sein (Zusammenschluss mehrerer Nachbarzellen ohne dazwischenliegende Zellwände und Zellmembranen)

miniatur|hochkant=1.5|Pflanzliche Zelle Besonderheiten pflanzlicher Zellen

Die Zellwand ist so beschaffen, dass sie der Zelle und damit dem gesamten Pflanzenkörper eine mehr oder weniger feste Form gibt. Sie ist durchlässig für Wasser, gelöste Nährstoffe und Gase. Sie besteht hauptsächlich aus Zellulose. Bei Zellen mit dicken Zellwänden, durch die dennoch Stoffe transportiert werden, gibt es in den Zellwänden Tüpfel. Das sind Öffnungen in der Zellwand, durch die benachbarte Zellen – nur durch eine dünne Membran getrennt – untereinander in Kontakt stehen und durch die der Austausch von Stoffen erleichtert wird. Die Chloroplasten enthalten ein komplexes System zur Nutzung der Lichtenergie für die Photosynthese, das unter anderem Chlorophyll (ein grüner Farbstoff) enthält. Dabei wird die Energie von Licht eingefangen (absorbiert), in chemische Energie in Form von Traubenzucker (Glucose) umgewandelt und in Form von Stärke gespeichert. Die Vakuolen sind Räume im Cytoplasma, die mit Zellsaft gefüllt sind. In diesem können Farbstoffe (zum Beispiel Flavone), Giftstoffe (zum Beispiel Coffein), Duftstoffe und anderes enthalten sein. Der Tonoplast ist die selektivpermeable Membran, welche die Vakuole gegen das Plasma abgrenzt. Eine interaktive Graphik einer Pflanzenzelle findet sich bei SwiiBioPics.SIB: Plant cell – Pflanzenzelle, Interaktive Graphik von SwissBioPics

Struktur der Zelle Jede Zelle, ob prokaryotisch oder eukaryotisch, besitzt eine Zellmembran. Diese Zellmembran grenzt die Zelle von ihrer Umgebung ab und kontrolliert, was in die Zelle aufgenommen wird und was heraustransportiert wird. Auf jeder Seite der Zellmembran befinden sich Ionen in unterschiedlichen Konzentrationen. Die Zellmembran hält diesen Konzentrationsunterschied aufrecht, wodurch ein chemisches Potential entsteht. Das durch die Zellmembran umschlossene Medium ist das Cytoplasma. Alle teilungsfähigen Zellen besitzen DNA, in der die Erbinformationen gespeichert sind, sowie Proteine, die als Enzyme Reaktionen in der Zelle katalysieren oder Strukturen in der Zelle bilden, und RNA, die vor allem zum Aufbau der Proteine notwendig ist. Im Folgenden sind wichtige Zellkomponenten aufgelistet und kurz beschrieben:

Zellmembran – die schützende Hülle

Jede Zelle ist von einer Zellmembran (auch Plasmamembran oder manchmal Pellicula genannt) umschlossen. Diese Membran trennt die Zelle von der Umgebung ab und schützt sie auch. Ihre Dicke beträgt etwa 4 bis 5 Nanometer. Sie besteht hauptsächlich aus einer Doppellipidschicht und zahlreichen Proteinen, die verschiedene Funktionen erfüllen, darunter den Austausch von bestimmten Ionen (siehe Ionenkanal) und Molekülen zwischen der Zelle und ihrer Umgebung (siehe Membrantransport) und die Erkennung von Signalmolekülen (siehe Rezeptor (Biochemie)).

Zellkortex Als Zellkortex (auch Zellcortex, syn. Actin-Kortex oder Actomyosin-Kortex) wird die Cytoplasmaschicht bezeichnet, die direkt an der Innenseite der Zellmembran liegt. Es handelt sich um eine spezielle Schicht zytoplasmatischer Proteine reich an Cytoskelettelementen.Bruce Alberts, Dennis Bray, Karen Hopkin, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter; Jochen Graw (Hrsg.): Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie. Wiley-VCH, 4. Auflage 2012, ISBN 978-3-527-32824-6; S. 405.Zellcortex, auf: Spektrum Lexikon der Biologie.

Zellskelett – das Gerüst der Zelle

Das Zellskelett gibt der Zelle ihre Form und ihre mechanische Stabilität. Darüber hinaus erfüllt das Zellskelett noch weitere Funktionen. Es ist verantwortlich für aktive Bewegungen der Zelle als Ganzes sowie für Bewegungen und Transporte innerhalb der Zelle. Es spielt zudem eine wichtige Rolle bei der Zellteilung und der Rezeption äußerer Reize und deren Weitervermittlung in die Zelle hinein.