Cytoplasma

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 4. März 2024

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Das Cytoplasma füllt das Innere einer menschlichen Zelle aus. Es besteht aus dem Cytosol, einer flüssigen oder gelartigen Substanz, den Organellen (Mitochondrien, Golgi-Apparat u. a.) und dem Zellskelett. Insgesamt dient das Cytoplasma der enzymatischen Biosynthese und –katalyse sowie der Stoffspeicherung und dem intrazellulären Stofftransport.

Was ist Cytoplasma?

Die Definition des Begriffs Cytoplasma ist in der Literatur nicht einheitlich. Einige Autoren betrachten den gesamten bioaktiven Inhalt der menschlichen Zelle einschließlich Zellkern in seiner Gesamtheit als Cytoplasma. Andere Autoren rechnen die in der Zelle enthaltenen Organellen wie Mitochondrien und das Endoplasmatische Retikulum und den Zellkern nicht zum Cytoplasma, sondern verwenden den Begriff Protoplasma, unter dem sie den gesamten Inhalt der lebenden menschlichen Zelle subsummieren.

Im Cytoplasma sind Zellkern und zahlreiche Organellen (bis zu vielen Tausend) eingeschlossen, und es wird von Mikrofilamenten, Intermediärfilamenten und Mikrotubuli durchzogen. Es handelt sich dabei um das Cytoskelett, Proteine, die der Zelle Festigkeit und Struktur geben und den intrazellulären Stofftransport – auch den Transport durch Biomembranen hindurch - ermöglichen. Der flüssige bzw. gelartige Anteil des Cytoplasma wird als Cytosol bezeichnet. Durch Änderungen der Konsistenz innerhalb bestimmter Bereiche des Cytosol werden auch Organellen innerhalb der Zelle verfrachtet.

Um viele parallel ablaufende biochemische Reaktionen innerhalb der Zelle zu ermöglichen, können innerhalb des Cytoplasma durch Biomembranen abgegrenzte Räume, sogenannte Kompartimente gebildet werden. Sie ermöglichen die jeweils notwendigen unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.

Anatomie & Aufbau

Das Cytoplasma enthält etwa 80,5 bis 85 % Wasser, 10 bis 15 % Proteine, 2 bis 4 % Lipide, und der Rest verteilt sich auf Polysaccharide, DNA, RNA und organische und anorganische Moleküle und Ionen. Der pH-Wert des Cytoplasma ist annähernd neutral bei 7,0 und wird durch Abpufferung möglichst stabil gehalten. Über Ionenpumpen kann der PH-Wert zusätzlich stabilisiert oder geringfügig verändert werden.

Das Cytoskelett, das der Zelle seine Festigkeit und Form verleiht und für den intrazellulären Stofftransport sorgt, besteht aus Aktinfilamenten (Mikrofilamenten), Intermediärfilamenten und aus Mikrotubuli. Das Cytoskelett unterliegt einem dynamischen Auf- und Umbauprozess, der Strukturanpassungen erlaubt. Aktinfilamente sind aus langkettigen Proteinpolymeren aufgebaut mit einem extrem dünnen Durchmesser von etwa 6 bis 9 Nanometer. Intermediärfilamente sind wesentlich komplexer aus verschiedenen Strukturproteinen (Keratine) aufgebaut, und es wird zwischen 5 unterschiedlichen Typen differenziert.

Die röhrenförmigen Mikrotubuli mit einem Durchmesser von etwa 24 Nanometer setzen sich aus winzigen globulären Einheiten des Tubulins zusammen. Mikrotubuli können Längen von Bruchteilen eines Mikrometer bis zu mehreren hundert Mikrometern erreichen. Mikrotubuli können je nach Aufgabe sehr kurzlebig bis stabil langlebig sein.

Funktion & Aufgaben

Die einzelnen Bestandteile des komplex aufgebauten Cytoplasmas haben unterschiedlichste Funktionen und Aufgaben. Übergeordnete Aufgaben bestehen in der Speicherung bestimmter Stoffe und in der enzymatisch-katalytischen Bioaktivität, das heißt in Auf- und Abbau benötigter bzw. nicht mehr benötigter Stoffe. Zur Erfüllung dieser übergeordneten Aufgaben stehen dem Cytoplasma oder der Zelle eine Reihe von Werkzeugen zur Verfügung.

Da viele Umsetzungsprozesse innerhalb bestimmter Organellen ablaufen, kann das Cytoplasma durch Konsistenzänderungen von gelartig zu wässerig und umgekehrt für einen intrazellulären Transport der Organellen an den optimalen „Standort“ innerhalb der Zelle sorgen. Besondere Funktionen übernehmen dabei die Mikrotubuli, die den Vesikeltransport durch Membranen hindurch ermöglichen. Stoffe, für die die Membranen nicht durchlässig sind, werden in Vesikel (Ausstülpungen der Membranen) eingeschlossen und mithilfe der Mikrotubuli durch die Membranen hindurch geleitet. Mikrotubuli spielen auch eine besondere Rolle bei Bewegungen innerhalb einer Zelle und bei Eigenbewegungen bestimmter Zelltypen, die sich mittels Geißelschlag (z. B. Spermien) fortbewegen.

Eine weitere besondere Funktion übernehmen Mikrotubuli in der Chromosomenanordnung während der Mitose (normale Zellteilung) nach der DNA-Replikation. Ebenso spielen Mikrotubuli eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung von Axonen (auch einfach als Nerven bezeichnet), den Nervenfortsätzen, die der Weiterleitung von Nervenimpulsen von der Nervenzelle zum Zielgewebe (efferent) oder vom Sensor zur Nervenzelle hin (afferent) dienen. Die Fähigkeit des Cytoplasma, innerhalb der Zelle durch Bildung von Membranen abgeschlossene Reaktionsräume zu bilden, ermöglichen der Zelle, viele biochemische Vorgänge, die enzymatisch-katalytisch gesteuert werden und jeweils eigene Reaktionsumgebungen benötigen, gleichzeitig ablaufen zu lassen.

Krankheiten

Die nahezu unüberschaubare Funktionsfülle, die das Cytoplasma bzw. bestimmte Einzelkomponenten des Cytoplasma innehaben, lassen vermuten, dass es zu ebenso komplexen und differenzierten Funktionsstörungen und Beschwerden im Zusammenhang mit dem Cytoplasma kommen kann. Als Beispiel für eine spezifische Funktionsstörung dient Colchicin, das auch unter dem Namen Spindelgift bekannt ist.

Es handelt sich um ein Alkaloid der Herbstzeitlosen, das an monomeres Tubulin bindet, es inaktiviert und die Ausbildung der Spindeln für die Zellteilung (Mitose) verhindert. Eine normale Zellteilung wird damit verhindert. Vinblastin, ein Chemotherapeutikum, dem ein ähnliches Wirkspektrum zugrunde liegt, wird gezielt bei Vorliegen bestimmter Krebsarten eingesetzt, um dem Tumor die Wachstumsgrundlage zu entziehen. Ebenso können Gifte, die die Fähigkeit des Cytoplasma behindern, ATP aus den Mitochondrien zu übernehmen und ADP dorthin abzugeben, rasch lebensbedrohlich werden.

Sogenannte Tauopathien beruhen auf Genmutationen, die zu strukturellen Veränderungen des Tau-Proteins führen. Das Tau-Protein ist für den Aufbau der Mikrotubuli unentbehrlich, so dass es besonders im Bereich des Zentralnervensystems (ZNS) zu Problemen kommt. Krankheiten wie die Pick-Krankheit, die HDDD-Demenz und einige andere gehen ursächlich auf eine Genmutation zurück, die zu Ablagerungen von Tau-Protein führen. Die bekannteste Tauopathie ist Morbus Alzheimer.

Quellen

Drenckhahn, D.: Anatomie. Band 1: Makroskopische Anatomie, Histologie, Embryologie, Zellbiologie. Urban & Fischer, München 2008
Renz-Polster, H., Krautzig, S. (Hrsg.): Basislehrbuch Innere Medizin. Urban & Fischer, München 2012
Schoppmeyer, M.: Anatomie und Physiologie. Kurzlehrbuch für Pflegelehrberufe. Urban & Fischer/ Elsevier, München 2017

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