Kapitel 1: Anatomie und Physiologie der Haut

Kapitel 1: Anatomie und Physiologie der Haut

Aufbau einer Zelle

Der menschliche Körper besteht aus über 200 verschiedenen Zellarten, verteilt auf 12 Organe und über 50 verschiedene Gewebe. Ein ausgewachsener menschlicher Körper besitzt über 1000 Billionen Zellen, welche abgesehen von offensichtlichen strukturellen und funktionalen Unterschieden, eine gemeinsame subzelluläre
Struktur besitzen.

Die typische Zelle, wie sie nachfolgend beschrieben wird, ist lediglich ein Modell, erforderlich für das Lernen und Verstehen der Hauptelemente der Zellanatomie und Zellphysiologie.

Alle eukariotischen Zellen, d.h. Zellen die einen Zellkern besitzen, haben die gleiche gemeinsame Struktur:

• Zellmembran
• Zellplasma, bestehend aus Zellkern, Zellprotoplasma, Endoplasmatischem Reticulum, Golgi Apparat, Mitochondrien, Lysosomen und Peroxisomen, Zellgerüst

Die Zellmembran (membrana cellularis) mit einer Dicke von etwa 0,0075 µm ist eine mosaikförmig aufgebaute Lipoproteinmembran. Ihr Hauptbestandteil ist eine Lipiddoppelschicht, die überwiegend Phospholipide, Glykolipide und Cholesterin enthält. Jede Zelle identifiziert sich mit Hilfe ihrer peripheren Proteine nach außen hin, was man als Oberflächenantigen bezeichnet. Der Anteil von Membran-Lipiden und -Proteinen variiert je nach Zelle und Gewebe. Beispielsweise enthält die Membran einer Leberzelle etwa je 50% Lipide und Proteine, wohingegen die Membran einer Schwann´schen Zelle 72% Lipide und nur 28% Proteine enthält.

Zusätzlich dazu hängen zur Markierung an der Außenseite der Zellmembran oft kurzkettige, teilweise bäumchenartig verzweigte Kohlenhydratverbindungen an den Proteinen und an den Lipiden; man spricht dann von Glykoproteinen bzw. Glykolipiden. Die nach außen ragenden Strukturen der Zellmembran haben unter anderem Rezeptor-, Transport- oder stabilisierende Funktionen. Diese Glykoproteine und Glykolipide bilden auch die Glykokalyx, die eine große Rolle bei der interzellulären Adhäsion, bei der Antigenerkennung und zur Abwehr verschiederner externer Angriffe. Weiterhin nimmt die Zellmembran gebundene Moleküle über Protein-Lipid-Interaktionen durch Einstülpung und Abschnürung von Zellmembranabschnitten auf (Phagozytose). Flüssigkeit bzw. darin gelöste Partikel werden durch Pinocytose aufgenommen.

Der Zellkern oder Nukleus ist der größte der zytoplasmatischen Organellen mit einem Durchmesser von 5 bis 16 µm, bestehend aus Zellmembran, Zellkern und Zellchromatin. Der Zellkern ist das Hauptmerkmal zur Unterscheidung zwischen Eukaryoten (Lebewesen mit abgegrenztem Zellkern) und Prokaryoten (Lebewesen ohne abgegrenzten Zellkern, also Bakterien und Archaeen). Er enthält den größten Teil des genetischen Materials der eukaryontischen Zellen in Form von mehreren Chromosomen.

Die Zellkernmembran besteht aus zwei biologischen Membranen, der inneren und äußeren Kernmembran, welche die sogenannte perinukleäre Zisterne umschließen. Die Gesamtdicke der Kernhülle beträgt etwa 35 nm. Die äußere Kernmembran geht fließend in das raue endoplasmatische Retikulum über und hat wie dieses auch Ribosomen auf ihrer Oberfläche. Die innere Kernmembran grenzt an die Kernlamina (Lamina fibrosa nuclei), die aus Laminen, einer Gruppe von Intermediärfilamenten, besteht, den Zellkern stützt und die innere Membran vom Chromatin des Zellkerns trennt. Die diploide menschliche Zelle enthält 23 Chromosomenpaare mit über 100000 Genen. Der Nukleolus ist das größte Gebilde des Zellkerns. In ihm werden die Ribosomen synthetisiert. Durch die in der Kernhülle enthaltenen Kernporen, die ca. 25 % der Oberfläche bedecken, findet der aktive Stoffaustausch (z. B. rRNA oder mRNA) zwischen dem Kern und dem Zellplasma statt. Die Flüssigkeit im Kern wird auch als Karyoplasma bezeichnet.

Als Zytosol bezeichnet man die flüssigen Bestandteile des Zytoplasmas der eukaryotischen und prokaryotischen Zelle. Es besteht zu etwa 70% aus Wasser, 20% Proteinen und 10% Ionen, Vitaminen, Stoffwechselprodukten. Im Zytosol findet ein Teil der Proteinbiosynthese, die Translation statt. Außerdem finden hier die Glykolyse, viele Schritte des Proteinabbaus sowie viele Reaktionen des Intermediärstoffwechsels der Zelle statt. Dazu gehören beispielsweise Synthese und Abbau von Nukleotiden oder Aminosäuren. Das Zytosol ist in Eukaryoten von einem Netzwerk von fadenförmigen Strukturen (Filamenten) wie Aktinfilamenten, Intermediärfilamenten oder Mikrotubuli durchzogen, die in ihrer Gesamtheit das Zellskelett (Zytoskelett) bilden.

Das Endoplasmatische Retikulum (ER) besteht aus einem weit verzweigten Membran-Netzwerk aus Röhren, Bläschen und Zisternen, die von der ER-Membran umgeben werden. Die ER-Membran geht direkt in die Kernhülle des Zellkerns über. Das ER-Lumen steht mit dem Membranzwischenraum der Kernhülle, dem perinukleären Raum, in Verbindung.

Es gibt zwei Arten des endoplasmatischen Retikulums:

• Das sog. raue endoplasmatische Retikulum ist auf seiner Membranfläche mit Ribosomen besetzt und für den Großteil der Synthese der Zellproteine verantwortlich.
• Das sog. glatte endoplasmatische Retikulum ist für den Großteil der Lipid- und Polysaccharidsynthese verantwortlich.

Die Struktur des ER ist dynamisch und einer steten Reorganisation unterworfen. Dazu gehören die Verlängerung oder auch Retraktion von Membrantubuli, ihre Verzweigung, Verschmelzung oder Aufspaltung. Diese Motilität des ER ist abhängig vom Zytoskelett.

Der Golgi Apparat ist ein Gebilde aus Hohlräumen in der Nähe des Zellkerns und des rauen endoplasmatischen Retikulums. Seine Hauptaufgabe ist die Bildung und Speicherung sekretorischer Vesikel (extrazelluläre Matrix, Transmitter/Hormone), die Synthese und Modifizierung von Elementen der Plasmamembran, sowie die Bildung von lysosomalen Proteinen (primäres Lysosom).

Mitochondrien sind Zellorganellen von kugelförmigem oder zylindrischem Aussehen und spielen eine wichtige Rolle bei oxidativen Prozessen, welche die Zellatmung und Energieversorgung sicherstellen. Eine Zelle hat etwa 1700 Mitochondrien, abhängig vom Energiebedarf der Zelle. In den Mitochondrien finden folgende Prozesse statt: Aerobe Glykolyse, Zitratzyklus und Phosphorylierung, wodurch Kohlenwasserstoffe in Kohlendioxid, Wasser und Energie umgewandelt werden.

Lysosomen sind kugelförmige Bläschen, deren Membran 50 verschiedene Enzyme enthält (Proteasen, Nukleasen, Lipasen, Phosphorsäure, etc.). Sie spielen eine essentielle Rolle in der Zellverdauung und -abwehr. Ebenso sind sie beteiligt beim programmierten Zelltod, der Apoptosis, und an der Zersetzung zellfremden Materials.

Peroxisomen sind kugelförmige Zellorganellen, die von einer Zellmembran umgeben sind. Sie sind wichtig bei der Neutralisation von Wasserstoffperoxid, welches als Folge verschiedener metabolischer Prozesse auftritt.

Das Zytoskelett oder Zellskelett ist ein aus Proteinen aufgebautes Netzwerk im Zytoplasma eukaryotischer Zellen. Es besteht aus dynamisch auf- und abbaubaren, dünnen, fadenförmigen Zellstrukturen (Filamenten). Es ist verantwortlich für die mechanische Stabilisierung der Zelle und ihre äußere Form, für aktive Bewegungen der Zelle als Ganzes, sowie für Bewegungen und Transporte innerhalb der Zelle.

In der eukaryotischen Zelle unterscheidet man drei Klassen von Zytoskelettfilamenten, die jeweils von unterschiedlichen Proteinen bzw. Proteinklassen gebildet werden, spezifische Begleitproteine besitzen und sich auf jeweils verschiedene Weise an den Aufgaben des Zytoskeletts beteiligen:

• Mikrotubuli sind die größten Elemete des Zytoskeletts. Diese Hohlzylinder mit einem Durchmesser von 25 nm setzen sich aus dem Protein Tubulin zusammen.
• Aktinfilamente (oder Mikrofilamente) sind Fasern mit 7 nm Durchmesser, die aus Aktin bestehen.

Vor allem in netzartigen Anordnungen unterhalb der Plasmamembran und in Membranausbuchtungen stabilisieren sie die äußere Form der Zelle, halten membranständige Proteine an ihrem Platz und ziehen in bestimmte Zelljunktionen ein.

• Mit dem Begriff Intermediärfilamente fasst man eine Reihe von Proteinfilamenten zusammen, welche alle sehr ähnliche Eigenschaften aufweisen. Ihr Durchmesser beträgt um die 10 nm (8 bis 11 nm), und sie können, da sie deutlich stabiler als Mikrotubuli und Aktinfilamente sind, am besten mechanische Zugkräfte aufnehmen.

Als Zellverbindungen („cell junctions“) oder Zellkontakte bezeichnet man die direkten Berührungsstellen von Zellen in Geweben. Vorübergehende oder dauerhafte Zellkontakte werden von allen mehrzelligen Lebewesen gebildet. Die Zellkontakte werden im Wesentlichen durch Proteine gebildet (Zelladhäsionsmoleküle), die aus den Zelloberflächen herausragen und gleichzeitig als intrazelluläre Ankerproteine eine zytoplasmatische Plaque bilden. Ihre Aufgabe ist, das Gewebe zusammenzuhalten und die Kommunikation von Zellen miteinander zu ermöglichen.

Viele der Zelladhäsionsmoleküle sind Transmembranproteine, welche innen und außen über die Zellmembran hinausragen. Sie können Signale von außen, z.B. von anderen Zellen, ins Innere weiterleiten oder Signale der Zelle an die Nachbarzellen weitergeben. Zelladhäsionsmoleküle sorgen für Kontakte zwischen Zellen, aber auch zwischen Zellen und der extrazellulären Matrix. Eine Besonderheit sind die Connexine und Innexine, die Kanäle bildenden Transmembranproteine der Gap junctions. Ab einer bestimmten Zelldichte erzeugt der Zellkontakt die Zellkontakthemmung.