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Der Zellkern fungiert als genetische Steuerzentrale der Zelle, während die Mitochondrien durch die Produktion von ATP die für alle Lebensvorgänge notwendige Energie bereitstellen. Zudem werden Ribosomen als zentrale Orte der Proteinbiosynthese und Proteasomen als Abbaustrukturen vorgestellt.
Der Zellkern (Nucleus) fungiert als die „Schaltzentrale“ der eukaryotischen Zelle. Er beherbergt den Großteil der genetischen Information in Form von DNA (Desoxyribonukleinsäure), die als Bauplan für alle Proteine und somit für die gesamte Zellfunktion dient. Man kann ihn sich wie einen Tresor vorstellen, der die wertvollen Originalbaupläne schützt. Fast alle Zellen enthalten einen Kern, Ausnahmen sind reife Erythrozyten und Thrombozyten. Gelegentlich kommen mehrkernige Zellen vor, etwa in Leber oder Skelettmuskulatur; solche durch Zellverschmelzung entstandenen Gebilde nennt man Synzytium.
Umgeben wird der Kern von der Kernhülle, einer doppelten Membran, die das Kerninnere vom Zytoplasma trennt. Die äußere Membran geht kontinuierlich ins raue endoplasmatische Retikulum über und ist definitionsgemäß mit Ribosomen besetzt. Die Hülle ist von zahlreichen Kernporen durchsetzt. Diese fungieren wie kontrollierte Schleusen, die den gezielten Austausch von Makromolekülen, wie etwa der mRNA, zwischen Kern und Zytoplasma ermöglichen.
Im Inneren des Kerns befindet sich das Karyoplasma. Darin liegt die DNA meist als Chromatin vor, ein Komplex aus DNA und Proteinen (zur Hälfte Histone). Ebenfalls im Kern befindet sich der Nucleolus (Kernkörperchen). Er ist keine durch eine Membran abgegrenzte Organelle, sondern ein dichtes Areal, in dem die Komponenten der Ribosomen (die Proteinfabriken der Zelle) synthetisiert und zusammengebaut werden.
Die meisten Körperzellen sind diploid (doppelter Chromosomensatz). Einige Zellen, z. B. Leber- und Herzmuskelzellen, können polyploid werden. Haploide Zellen mit einfachem Chromosomensatz sind die Geschlechtszellen. Das Kernvolumen macht 5–10 % des Zellvolumens aus, variiert aber je nach Zelltyp und Funktionszustand – man spricht von der Kern-Plasma-Relation. Die Kernform passt sich oft der Zellform an, z. B. bei runden Lymphozyten oder segmentkernigen neutrophilen Granulozyten. Zu den zentralen Kernaufgaben gehören der Schutz der DNA, die DNA-Replikation, die RNA-Synthese (Transkription) und die Organisation des Chromatins durch die nukleäre Lamina.
Ribosomen sind membranlose, kugelige Organellen aus rRNA und globulären Proteinen und kommen in allen lebenden Zellen vor – außer in Erythrozyten. Sie bestehen beim Menschen aus einer großen 60S- und einer kleinen 40S-Untereinheit, die zusammen das vollständige 80S-Ribosom bilden. An den Ribosomen läuft die Translation ab, also die Proteinbiosynthese anhand der mRNA-Vorlage. Liegen viele Ribosomen hintereinander an einer mRNA, spricht man von Polyribosomen (Polysomen). Entscheidend ist die Unterscheidung beider Typen: Freie Ribosomen produzieren zelleigene Proteine (z. B. Enzyme), während ans raue ER angeheftete Ribosomen Exportproteine (z. B. Drüsensekrete, Hormone) herstellen.
Die Mitochondrien sind die „Kraftwerke“ der Zelle. Ihre Hauptaufgabe ist die Bereitstellung von chemischer Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat). Dieser Prozess wird als Zellatmung bezeichnet und verbraucht Sauerstoff, um Nährstoffe effizient abzubauen.
Ein Mitochondrium ist durch eine Doppelmembran charakterisiert. Die äußere Membran ist glatt und grenzt das Organell ab, während die innere Membran starke Einstülpungen, die sogenannten Cristae, aufweist. Diese Faltungen dienen der Oberflächenvergrößerung, um mehr Platz für die Enzyme der Atmungskette zu bieten.
Der Innenraum, der von der inneren Membran umschlossen wird, heißt Matrix. Hier befinden sich wichtige Enzyme für den Stoffwechsel sowie die mtDNA (mitochondriale DNA) und eigene Ribosomen. Da Mitochondrien über eigenes Erbgut verfügen und sich unabhängig teilen können, stützt dies die Endosymbiontentheorie.
Die Endosymbiontentheorie besagt, dass Mitochondrien ursprünglich eigenständige prokaryotische Organismen waren, die von einer größeren Vorläuferzelle aufgenommen wurden. Anstatt verdaut zu werden, gingen sie eine Symbiose ein, was die doppelte Membran und das eigene Genom erklärt.
Der Proteinabbau unterscheidet sich je nach Herkunft der Proteine: Zellfremde, durch Endozytose aufgenommene Proteine werden in Lysosomen abgebaut. Zelleigene Proteine hingegen werden durch Proteasomen abgebaut, ATP-abhängige Proteasekomplexe im Zellkern, Zytoplasma und in Mitochondrien. Sie bestehen aus einer 20S-Untereinheit und zwei 19S-Untereinheiten und bilden das 26S-Proteasom. Vor dem Abbau müssen die Proteine durch Ubiquitinierung markiert werden – dabei wird das Polypeptid Ubiquitin angehängt. So markierte, z. B. falsch gefaltete oder überflüssige regulatorische Proteine, werden vom Proteasom erkannt und eliminiert.
