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Alle Lebewesen lassen sich in drei Domänen unterteilen: Bacteria, Archaea und Eucarya. Die Biologie unterscheidet zwei fundamentale Zelltypen: die einfachen Prokaryoten ohne Zellkern (Bacteria, Archaea) und die komplexen Eukaryoten (Eucarya) mit membranumschlossenen Organellen und einem echten Zellkern. Pflanzenzellen als Eukaryoten weisen dabei spezifische Merkmale wie Zellwand, Chloroplasten und große Vakuolen auf, während tierische Zellen andere Spezialisierungen zeigen. Im menschlichen Körper, der zu den Eukaryoten zählt, existieren etwa 300 verschiedene Zellarten, die sich aus den drei Keimblättern (Endoderm, Mesoderm, Ektoderm) entwickeln und durch Spezialisierung unterschiedlichste Funktionen wie Sauerstofftransport, Reizweiterleitung oder Immunabwehr übernehmen.
Die Zelle ist die kleinste lebende Einheit aller Organismen. In der Biologie unterteilen wir alle Lebewesen basierend auf ihrem Zellaufbau in zwei Kategorien: Prokaryoten und Eukaryoten. Diese Unterscheidung ist grundlegend für das Verständnis der Evolution und der menschlichen Physiologie.
Prokaryoten (griechisch 'pro' = vor, 'karyon' = Kern) sind einzellige Organismen, zu denen Bakterien, Archaeen und Cyanobakterien (Blaualgen) gehören. Ihr markantestes Merkmal ist das Fehlen eines membranumschlossenen Zellkerns. Das Erbgut liegt stattdessen frei im Zytoplasma (der Zellflüssigkeit) in einem Bereich, den man Nucleoid oder Kernäquivalent nennt. Prokaryoten zeigen verschiedene Gestalten: kugelförmige Kokken (z.B. Ketten bildende Streptokokken, haufenförmige Staphylokokken), stäbchenförmige Bacilli und spiralförmige Spirillen.
Ein wichtiges diagnostisches Merkmal von Bakterien ist ihr Verhalten in der Gram-Färbung, das auf Unterschieden im Zellwandaufbau beruht. Gram-positive Bakterien haben eine dicke Zellwand aus mehreren Schichten Peptidoglykan (Murein), während Gram-negative Bakterien nur eine dünne Mureinschicht besitzen, die von einer zusätzlichen Außenmembran umgeben ist. Zwischen Plasmamembran und Zellwand liegt der periplasmatische Raum. Da Prokaryoten keine Mitochondrien oder andere membranumschlossene Organellen haben, läuft ihre Energiegewinnung direkt in der Plasmamembran ab.
Eukaryoten (griechisch 'eu' = gut/echt) hingegen besitzen einen echten, durch eine Doppelmembran abgegrenzten Zellkern, in dem die DNA geschützt liegt. Zu den Eukaryoten zählen wir Tiere, Pflanzen, Pilze sowie einzellige Protisten. Auch alle Zellen des menschlichen Körpers sind eukaryotisch. Die Histologie geht derzeit von etwa 300 verschiedenen Zellarten im menschlichen Körper aus, wobei diese Zahl durch molekularbiologische Untersuchungen noch steigen kann.
Um den Unterschied zu verdeutlichen, hilft eine Analogie: Ein Prokaryot ist wie ein Ein-Zimmer-Apartment, in dem Kochen, Schlafen und Arbeiten im selben Raum stattfinden. Ein Eukaryot gleicht einer modernen Villa mit spezialisierten Räumen für jede Aufgabe. Diese 'Räume' nennen wir Organellen – durch Membranen abgegrenzte Funktionsbereiche innerhalb der Zelle.
Pflanzenzellen sind ebenfalls eukaryotisch und teilen die meisten Organellen mit tierischen Zellen, mit Ausnahme der Lysosomen und Zentrosomen, die in Pflanzen fehlen. Stattdessen verfügen sie über einige einzigartige Strukturen, die für den BMS-Test relevant sind.
Zellwand: Pflanzenzellen besitzen zusätzlich zur Zellmembran eine stabile Zellwand. Sie besteht aus Cellulosefasern, die in eine Matrix aus Polysacchariden und Proteinen eingebettet sind. Diese Zellwand verleiht der Pflanze Form und Stabilität und verhindert eine übermäßige Wasseraufnahme. Junge Pflanzenzellen bilden zunächst eine dünne, flexible Primärwand. In einigen Geweben lagern alternde Zellen eine dicke Sekundärwand ab, die durch Einlagerung von Lignin (einem Polysaccharid) verholzt. Zellwände kommen nicht nur bei Pflanzen, sondern auch bei Algen und Pilzen (hier aus Chitin) vor.
Chloroplasten: Diese charakteristischen Organellen der Pflanzen sind die Orte der Photosynthese. Sie enthalten den grünen Farbstoff Chlorophyll und wandeln Lichtenergie in chemische Energie um. Im Inneren befinden sich thylakoide Membranstapel, die sogenannten Grana, in denen die Lichtreaktionen der Photosynthese ablaufen. Chloroplasten besitzen, ähnlich wie Mitochondrien, eigene DNA und Ribosomen, was auf eine evolutionäre Herkunft von prokaryotischen Vorläufern hindeutet. Dieser Befund stützt die Endosymbiontentheorie, der zufolge eukaryotische Zellen durch die Aufnahme aerober Bakterien (die zu Mitochondrien wurden) und photosynthetisch aktiver Cyanobakterien (die zu Chloroplasten wurden) entstanden sind. Sie zählen zu den Plastiden, einer Organellengruppe, die nur in Pflanzen und einigen Algen vorkommt. In nicht grünen Pflanzenteilen wie Wurzeln oder Knollen finden sich farblose Plastiden (Leukoplasten oder Amyloplasten), die Stärke speichern. Für den MedAT wichtig: Chloroplasten kommen nur in Pflanzen und Algen vor, nicht in Tieren, Pilzen oder Bakterien.
Vakuolen: Pflanzliche Vakuolen sind von einer einfachen Membran umgebene Flüssigkeitsräume. Sie dienen der Speicherung von Stoffen und dem enzymatischen Abbau, ähnlich den Lysosomen tierischer Zellen. In Pflanzen können sie zu einer großen Zentralvakuole verschmelzen, die den Großteil des Zellvolumens einnimmt und durch ihren prallen Zellsaft einen Druck, den Turgor, auf die Zellwand ausübt. Dieser Turgor ist entscheidend für die Stabilität und den Wasserhaushalt der Pflanze. Interessanterweise besitzen auch viele im Süßwasser lebende Einzeller, wie das Pantoffeltierchen, kontraktile Vakuolen, die überschüssiges Wasser aktiv aus der Zelle pumpen, um ein Platzen zu verhindern.
Die verschiedenen spezialisierten Zelltypen des menschlichen Körpers lassen sich sinnvoll nach ihrer embryonalen Herkunft aus den drei Keimblättern einteilen. Aus dem Mesoderm entstehen unter anderem Knochenzellen (Osteozyten), Knorpelzellen (Chondrozyten), Muskelzellen (Myozyten, die kontraktile Aktin- und Myosinfilamente enthalten), Bindegewebszellen (Fibrozyten), Fettzellen (Adipozyten, die als Energiespeicher und Isolatoren dienen) sowie die Blutzellen. Erythrozyten etwa sind kernlose, bikonkave Zellen, die Hämoglobin für den Sauerstofftransport enthalten und nach etwa 120 Tagen in der Milz abgebaut werden. Zur Immunabwehr im Blut zählen Granulozyten (unspezifische Abwehr, aktive Migration) und T-Zellen (spezifische Abwehr, erkennen MHC-Komplexe).
Aus dem Ektoderm entwickeln sich Haut- und Schleimhautzellen, die durch tight junctions einen engen Zellverband bilden, sowie Nervenzellen (Neurone). Diese bestehen aus Dendriten, einem Axon und Synapsen zur Reizweiterleitung und können über einen Meter lang werden, bleiben aber im Gegensatz zu Blutzellen ihr Leben lang stationär.
Das Endoderm bringt unter anderem Leberzellen (Hepatocyten, die Gallenflüssigkeit sezernieren und der Entgiftung dienen) und Lungenzellen (Pneumozyten, die Surfactant bilden) hervor. Eine besondere endodermale Zelle ist die Belegzelle der Magenschleimhaut, die groß und stark anfärbbar ist sowie Salzsäure und den Intrinsic Factor produziert.
Ein weiterer Unterschied liegt in der Organisation des Erbguts. Prokaryoten besitzen meist ein einzelnes, ringförmiges DNA-Molekül. Eukaryoten hingegen haben ihre DNA in mehreren linearen Chromosomen (fadenförmige Erbgutträger) organisiert, die zudem um spezielle Proteine gewickelt sind.
Auch die Fabriken der Proteinherstellung, die Ribosomen, unterscheiden sich. Prokaryoten nutzen kleinere 70S-Ribosomen, während Eukaryoten die größeren und komplexeren 80S-Ribosomen besitzen. Diese Differenz ist medizinisch relevant, da manche Antibiotika gezielt nur 70S-Ribosomen angreifen und so Bakterien töten, ohne menschliche Zellen zu schädigen.
Eukaryotische Zellen sind zudem deutlich größer (meist 10–100 µm) als prokaryotische Zellen (meist 1–5 µm). Diese Größe wird durch das Zytoskelett und die Kompartimentierung ermöglicht, welche den internen Transport und Stoffwechsel effizienter gestalten, als es durch bloße Diffusion möglich wäre.
Zuletzt unterscheiden sich die Fortbewegungsorgane. Viele Zellen besitzen Geißeln (Flagellen). Während prokaryotische Geißeln wie ein starrer Propeller rotieren, sind eukaryotische Geißeln komplexer aufgebaut und führen eine peitschenartige, schlagende Bewegung aus.
