Zellplasma (Zytoplasma): Aufbau und Funktion

Vertiefung zum ThemaZelle

Auf Schemazeichnungen ist es nur der hellblaue Hintergrund zwischen den Organellen. Tatsächlich ist das Zellplasma einer der vollsten und geschäftigsten Orte der Welt: ein zäher Brei aus Wasser, Ionen und Proteinen, durchzogen von Fasern, auf denen ständig Fracht transportiert wird. Hier erfährst du, was genau zum Zellplasma gehört, was dort passiert – und wie du es im Mikroskop strömen siehst.

Einfach erklärt

Diese Seite vertieft das Thema Zelle. Sie erklärt das Zellinnere. Das Zellplasma – das ist alles in der Zelle außer dem Zellkern. Ein anderes Wort dafür ist Zytoplasma. Das Zytosol ist nur die Flüssigkeit darin. Den Inhalt vom Zellkern nennt man Karyoplasma.

Das Zellplasma ist kein dünnes Wasser. Es ist ein dichter Brei mit sehr vielen Eiweißen. Hier arbeitet die Zelle viel. Sie baut zum Beispiel Zucker ab. Sie stellt auch Eiweiße her.

Durch das Zellplasma zieht sich das Zytoskelett. Das ist ein Netz aus Eiweiß-Fasern. Es gibt der Zelle ihre Form. Es dient auch als Schienennetz. Kleine Motoren tragen darauf Fracht durch die Zelle. Bei der Wasserpest siehst du das Plasma in den Blättern sogar strömen. Die grünen Körner fahren dabei im Kreis.

Merke: Zellplasma ist alles in der Zelle außer dem Zellkern.

Was ist Zellplasma? Zytoplasma, Zytosol und Karyoplasma

Viele Fehler in Klausuren entstehen, weil drei ähnliche Wörter durcheinandergeraten. Zellplasma und Zytoplasma bedeuten dasselbe: alles, was zwischen Zellmembran und Zellkern liegt. Dazu gehören die Organellen wie Mitochondrien und endoplasmatisches Retikulum, das Zytoskelett und die Flüssigkeit, in der all das liegt. Diese Flüssigkeit allein heißt Zytosol. Der Zellkern zählt nicht zum Zytoplasma – sein Inhalt ist das Karyoplasma (auch Kernplasma oder Nukleoplasma).

Ein wichtiges Detail: Organellen mit Membran haben einen eigenen Innenraum. Die Flüssigkeit in einem Mitochondrium heißt Matrix, der Innenraum des endoplasmatischen Retikulums Lumen. Beide gehören zwar zum Zytoplasma, aber nicht zum Zytosol – sie sind durch Membranen davon getrennt und enthalten andere Stoffe.

Begriff	Was gehört dazu?	Andere Namen
Zytoplasma	alles zwischen Zellmembran und Kernhülle: Zytosol, Organellen, Zytoskelett, Einschlüsse	Zellplasma, Cytoplasma
Zytosol	nur die flüssige Grundsubstanz um die Organellen herum	Grundplasma
Karyoplasma	Inhalt des Zellkerns, umgeben von der Kernhülle	Kernplasma, Nukleoplasma

Woraus besteht das Zellplasma?

Wasser macht etwa 70 Prozent des Volumens einer typischen Zelle aus. Darin gelöst sind Ionen, Zucker, Aminosäuren, Nukleotide und vor allem Proteine. Die Ionen sind ganz anders verteilt als in der Flüssigkeit außerhalb der Zelle. Kaliumionen sind im Zytosol rund 35-mal häufiger als im Blutplasma, Natriumionen dagegen gut zehnmal seltener. Diese Unterschiede hält die Zelle mit Ionenpumpen in der Membran unter ständigem Energieaufwand aufrecht. Sie sind die Grundlage für die elektrische Spannung an der Zellmembran, ohne die zum Beispiel keine Nervenzelle funktionieren würde.

Ion	Zytosol (Säugetierzelle)	Blutplasma
Kalium (K⁺)	ca. 140–150 mmol/l	ca. 4 mmol/l
Natrium (Na⁺)	ca. 12 mmol/l	ca. 145 mmol/l
Chlorid (Cl⁻)	ca. 4 mmol/l	ca. 116 mmol/l
Calcium (Ca²⁺)	unter 0,0002 mmol/l	ca. 1,8 mmol/l

Besonders auffällig ist Calcium: Im Zytosol ist es fast nicht vorhanden. Gerade deshalb eignet es sich als Signal. Strömen Calciumionen kurz ein, wirkt das wie ein Schalter, der etwa eine Muskelkontraktion oder die Ausschüttung von Botenstoffen auslöst.

Das Zytosol ist außerdem dicht gepackt. Seine Proteinkonzentration erreicht rund 200 Gramm pro Liter, und Proteine nehmen etwa 20 bis 30 Prozent seines Volumens ein. Kleine Moleküle bewegen sich darin etwa viermal langsamer als in reinem Wasser, weil sie ständig mit großen Molekülen zusammenstoßen. Der pH-Wert liegt nahe dem Neutralpunkt, bei Säugetierzellen meist zwischen 7,0 und 7,4.

Das Zytoskelett: Gerüst und Schienennetz

Durch das ganze Zellplasma zieht sich ein Netz aus Proteinfasern, das Zytoskelett. Anders als ein Knochenskelett wird es ständig auf- und abgebaut. Es besteht aus drei Fasertypen:

Fasertyp	Durchmesser	Aufgaben (Beispiele)
Aktinfilamente	etwa 7 nm	Form der Zelloberfläche, Muskelkontraktion, Plasmaströmung, Abschnüren bei der Zellteilung
Intermediärfilamente	etwa 10 nm	Zugfestigkeit, halten den Zellkern in Position
Mikrotubuli	etwa 25 nm	Transportschienen für Vesikel und Organellen, Spindelapparat bei der Kernteilung, Geißeln und Wimpern

Auf Aktinfilamenten und Mikrotubuli laufen Motorproteine wie Myosin, Kinesin und Dynein. Sie spalten ATP und wandern dabei Schritt für Schritt an der Faser entlang – mit Bläschen oder Organellen im Schlepptau. Ohne dieses Schienennetz müsste sich die Zelle allein auf Diffusion verlassen, und die ist im dichten Zytosol langsam.

Funktion des Zellplasmas: Was im Zytosol passiert

Das Zytosol ist kein Wartesaal, sondern ein Arbeitsraum. Hier laufen zahlreiche Stoffwechselwege ab:

• Glykolyse: Der erste Abschnitt des Zuckerabbaus spaltet Glucose in zwei Moleküle Pyruvat und liefert dabei netto zwei ATP. Erst danach geht es im Mitochondrium weiter.
• Proteinbiosynthese an freien Ribosomen: Proteine für Zytosol, Zellkern und Mitochondrien werden direkt im Zytosol hergestellt. Proteine für den Export oder für Membranen entstehen dagegen an Ribosomen auf dem rauen ER.
• Weitere Wege: etwa der Pentosephosphatweg, der Zucker für Nukleotide liefert, und bei Tieren die Fettsäuresynthese.
• Speichern: Glykogenkörnchen und Fetttröpfchen liegen als Einschlüsse im Zellplasma.

Die Mitochondrien und ihre Rolle bei der Zellatmung stellt die Seite Aufgaben der Zellbausteine vor. Einen Überblick über alle Bestandteile der Zelle gibt die Hauptseite Die Zelle: Aufbau und Grundbauplan.

Plasmaströmung beobachten: die Wasserpest unter dem Mikroskop

In vielen Pflanzenzellen ist das Zellplasma ständig in Bewegung. In den Blattzellen der Wasserpest (Elodea) siehst du das besonders gut: Die grünen Chloroplasten wandern wie auf einem Förderband im Kreis an der Zellwand entlang. Diese kreisende Plasmaströmung heißt Zyklose. Angetrieben wird sie von Myosin-Motoren, die unter ATP-Verbrauch an Aktinfilamenten entlanglaufen und das umgebende Plasma mitziehen. Die Strömung verteilt Stoffe in der großen Pflanzenzelle schneller, als es Diffusion allein könnte.

1. Blättchen abzupfenZupfe ein junges Blättchen von der Sprossspitze ab. Die Blätter der Wasserpest bestehen nur aus zwei Zellschichten und brauchen deshalb keinen Schnitt.
2. Präparat herstellenLege das Blättchen in einen Wassertropfen auf den Objektträger und decke es mit einem Deckglas ab.
3. Suchen und scharf stellenBeginne mit dem kleinsten Objektiv und wechsle dann auf 40-fach. Stelle auf eine Zelle nahe der Blattmittelrippe scharf.
4. Geduld und LichtManchmal setzt die Strömung erst nach einigen Minuten unter der warmen Mikroskoplampe richtig ein. Beobachte, ob alle Chloroplasten einer Zelle in dieselbe Richtung wandern.

Warum Pflanzenzellen so groß werden können und welche Bestandteile sie von Tierzellen unterscheiden, zeigt der Vergleich Tierzelle und Pflanzenzelle.

Vertiefung Oberstufe: Gedränge im Zytosol und Organellen ohne Membran

Wenn 20 bis 30 Prozent eines Raumes mit Proteinen gefüllt sind, verhält er sich anders als eine verdünnte Lösung im Reagenzglas. Fachleute sprechen von makromolekularem Gedränge (macromolecular crowding). Weil jedes große Molekül Platz wegnimmt, steigt die wirksame Konzentration der übrigen. Das begünstigt Reaktionen, bei denen sich Moleküle zu Komplexen zusammenlagern, und verlangsamt die Diffusion. Messungen an Zellen zeigen außerdem, dass Teilchen von der Größe eines Ribosoms (etwa 25 nm) manche Bereiche nahe dem Zellrand und dem Kern kaum erreichen – das Fasernetz des Zytoskeletts wirkt wie ein Sieb.

Lange galt: Reaktionsräume in Eukaryotenzellen werden durch Membranen getrennt. Seit einigen Jahren weiß man, dass es auch Organellen ohne Membran gibt. Bestimmte Proteine und RNA-Moleküle lagern sich zu Tröpfchen zusammen, die sich vom umgebenden Plasma abgrenzen wie Öltropfen in Wasser. Man spricht von Phasentrennung und nennt die Tröpfchen biomolekulare Kondensate. Ein bekanntes Beispiel ist das Kernkörperchen (Nukleolus) im Zellkern, in dem ribosomale RNA hergestellt wird. Im Zytoplasma entstehen unter Stress, etwa bei Hitze, sogenannte Stressgranula, in denen mRNA vorübergehend geparkt wird.

Das Bild vom Zellplasma hat sich damit stark gewandelt: von der „Suppe, in der Organellen schwimmen“, hin zu einem dicht gepackten, strukturierten Raum, in dem Ort und Nachbarschaft von Molekülen über ihre Reaktionen mitbestimmen.

Fachbegriffe

Zytoplasma (Zellplasma)

Gesamter Zellinhalt innerhalb der Zellmembran ohne den Zellkern.

Zytosol

Flüssige Grundsubstanz des Zytoplasmas, in der Organellen und Zytoskelett liegen.

Karyoplasma

Inhalt des Zellkerns, von der Kernhülle umgeben.

Zytoskelett

Netz aus Aktinfilamenten, Intermediärfilamenten und Mikrotubuli; gibt Form und dient dem Transport.

Motorprotein

Protein, das unter ATP-Verbrauch an Fasern des Zytoskeletts entlangwandert, z. B. Myosin oder Kinesin.

Plasmaströmung (Zyklose)

Kreisende Bewegung des Zellplasmas in Pflanzenzellen, angetrieben von Myosin an Aktinfilamenten.

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