In einer Zelle laufen viele verschiedene Prozesse gleichzeitig ab. Die Zelle muss sich zum Beispiel auf die Zellteilung vorbereiten, Energie produzieren oder – wie in Pflanzenzellen – Photosynthese betreiben. All diese Prozesse benötigen unterschiedliche Bedingungen, Enzyme und andere Moleküle, um stattfinden zu können.
Um das zu erleichtern, sind Zellen in verschiedene Kompartimente aufgeteilt. Das kannst du dir wie kleine Räume in der Zelle vorstellen, in denen verschiedene Aufgaben in Ruhe durchgeführt werden können.
Eine Kompartimentierung ist allerdings nicht in jeder Zelle zu finden. Voraussetzung ist, dass die Zelle eukaryotisch ist. Eukaryoten sind höhere Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern haben (etwa Tiere, Pflanzen und Pilze).
Kompartimentierung beschreibt die Einteilung einer eukaryotischen Zelle durch Biomembranen in getrennte Reaktionsräume, die es der Zelle ermöglichen, verschiedene Aufgabe zur selben Zeit auszuführen.
Kompartimentierung einfach erklärt - das Basiskonzept
Damit in eukaryotischen Zellen eine Kompartimentierung möglich ist, müssen die verschiedenen Reaktionsräume voneinander abgetrennt werden. Entsprechende Reaktionsräume sind in Zellen durch sogenannte Biomembranen abgegrenzt.
Biomembranen bestehen aus einer Phospholipid-Doppelschicht und grenzen sowohl die Zelle selbst, als auch die Organellen nach außen hin ab. Zudem kann sie mit verschiedenen Proteinen bestückt sein, die z. B. den Transport von Stoffen auf die andere Seite ermöglichen.
Biomembranen haben die Besonderheit, dass sie semipermeabel sind. Das heißt, dass sie für bestimmte Stoffe durchlässig sind und für andere nicht. Kleine, ungeladenen Moleküle wie zum Beispiel H2O oder O2 können sich dadurch frei durch die Membran bewegen. Größere oder geladene Moleküle wie zum Beispiel Aminosäuren oder die Bestandteile von Salzen können die Membran nicht ohne Weiteres passieren.
Für genauere Erklärungen, wie diese Moleküle stattdessen auf die andere Seite der Membran gelangen, lies dich gerne in den Artikel zum Stofftransport rein.
Auf diese Weise sind Kompartimente räumlich voneinander getrennt und die Bedingungen innerhalb eines Kompartiments können stabil gehalten werden. Die Kompartimentierung sorgt dafür, dass in den verschiedenen Reaktionsräumen einer Zelle gleichzeitig mehrere unterschiedliche Stoffwechselreaktionen ablaufen können.
Beispiele für Kompartimentierung einer Zelle
Die verschiedenen Kompartimente, in die eine Zelle unterteilt ist, haben alle unterschiedliche Namen und Funktionen. Diese könnten dir bereits bekannt sein. Zum Beispiel zählen Mitochondrien, Chloroplasten und auch der Zellkern als einzelne Kompartimente.
Beachte hierbei, dass eine pflanzliche Zelle zwar viele Chloroplasten hat, diese aber zusammen als ein Kompartiment gezählt werden.
Das ist auch der Unterschied zwischen den Begriffen "Kompartiment" und "Organelle": Jeder einzelne Chloroplast ist eine Organelle, aber alle Chloroplasten zusammen sind ein Kompartiment.
Im Folgenden wirst du lernen, wie die Kompartimentierung diesen Bereichen hilft, die Zelle am Laufen zu halten.
Kompartimentierung - Mitochondrien
Mitochondrien sind dafür verantwortlich, durch die Umwandlung von Zucker Energie für den Organismus bereitzustellen. Daher bezeichnet man sie auch als "Kraftwerke der Zelle".
Mitochondrien besitzen zwei Membranen, eine äußere und eine innere, weshalb das Mitochondrium selbst genau genommen auch noch einmal in zwei Kompartimente unterteilt werden kann. Diese Kompartimente werden auch Intermembranraum und Matrix genannt.
Abbildung 1: Aufbau & Kompartimente eines Mitochondrium
Durch die erneute Kompartimentierung in zwei Reaktionsräume, kann in Mitochondrien die Durchlässigkeit von Stoffen und Proteinen durch die Membranen gut reguliert werden.
Intermembranraum
Die äußere Membran ist für kleine Moleküle gut durchlässig, nur größere Proteine müssen durch spezielle Transporter eingebracht werden. Dadurch besteht im Intermembranraum fast dieselbe Zusammensetzung von Stoffen (z. B. Zuckern, Salzen und Ionen) wie im Cytoplasma. Nur die Zusammensetzung der größeren Proteine unterscheidet sich.
Matrix
Auf diese Weise ist die Matrix ein strikt kontrolliertes Kompartiment, in dem viele enzymatische Reaktionen ablaufen können, ohne von ungewünschten Molekülen gestört zu werden. Hier findet auch die Energieproduktion der Mitochondrien statt.
Mitochondrien produzieren Energie in Form von ATP – dem universellen Energieträger der Zelle. Ausgeschrieben wird es auch Adenosintriphosphat genannt.
Die Energiemaschinerie der Mitochondrien besteht aus Proteinen, die bestimmte Moleküle benötigen, um angetrieben zu werden. Würden die falschen Moleküle in die Kompartimente gelangen, würde die Energieproduktion sinken. Die selektive Durchlässigkeit der Membranen in die verschiedenen Kompartimente ist nötig, damit Mitochondrien ihrer Arbeit nachgehen können.
Kompartimentierung - Chloroplasten
Chloroplasten kommen in Landpflanzen und in Grünalgen vor. Sie sind dafür verantwortlich, Photosynthese zu betreiben und dabei Sonnenlicht für die Produktion von Zucker zu nutzen.
Aufgebaut sind sie zunächst ähnlich wie Mitochondrien, da sie eine äußere und eine innere Membran besitzen. Zwischen ihnen befindet sich der Intermembranraum und innerhalb der inneren Membran befindet sich die Matrix. Auch die Durchlässigkeiten der Membranen in die einzelnen Kompartimente sind ähnlich wie bei den Mitochondrien.
Abbildung 2: Aufbau und Kompartimente eines Chloroplasten
Eine Besonderheit bei Chloroplasten sind allerdings die Thylakoide, die sich innerhalb der Matrix befinden. Sie sind umgeben von einer Thylakoidmembran und ordnen sich in stapelförmigen Strukturen zueinander an. Die Thylakoide sind die Reaktionsräume, in denen die eigentliche Photosynthese stattfindet. Darin befinden sich spezielle Proteine, die für die Reaktionen der Photosynthese benötigt werden. Die Umgebung hat einen sauren pH-Wert.
Der saure pH-Wert entsteht dadurch, dass ein Protonengradient aufgebaut wird – auf beiden Seiten der Thylakoidmembran gibt es demnach unterschiedliche Protonenkonzentrationen. Da die Membran für die meisten Stoffe undurchlässig ist, können bestimmte Proteine in der Membran regulieren, was genau auf die andere Seite gelassen wird.
Diese Proteine können nun den Gradienten nutzen, um Protonen entlang des Gradienten auf die andere Seite der Membran zu lassen und die dabei entstehende Energie für die Erzeugung von ATP zu verwenden. Hieran kannst du erkennen, dass die Kompartimentierung nicht nur gut ist, um bestimmte Stoffe und Proteine voneinander zu trennen, sondern auch, um dadurch Umgebungen zu erzeugen, die wichtige Reaktionen ermöglichen. So können geeignete Reaktionsräume geschaffen werden.
Kompartimentierung - Vakuole
Vakuolen sind in Pflanzenzellen zu finden und meistens mit Zellsaft gefüllt. In diesem Zellsaft können sich Nährstoffe, Giftstoffe oder andere Proteine befinden, die gelagert werden müssen. Umgeben ist dieses Kompartiment von einem Tonoplasten, einer speziellen Art von Biomembran. Sie ist selektiv permeabel und lässt daher nur spezielle Stoffe durch.
Außerdem ist die Vakuole in Pflanzenzellen daran beteiligt, Druck aufzubauen. Dadurch ist die Zelle von innen gestützt und kann sich so gut wie möglich ausdehnen, ohne zusammenzufallen.
Dieser Druck wird auch osmotischer Druck oder Turgordruck genannt. Dieser wird durch die Aufnahme und Abgabe von Wasser in und aus der Vakuole reguliert.
Dabei spielt es eine Rolle, wie hoch die Konzentration von sogenannten osmotisch aktiven Stoffen (z. B. Salzen) innerhalb und außerhalb der Zelle ist. Gibt es einen großen Konzentrationsunterschied, fließt das Wasser auf die jeweils andere Seite, um diesen Unterschied wieder auszugleichen. Dabei ändert sich der Druck.
Wäre die Vakuole kein gesondertes, durch eine Membran getrenntes, Kompartiment, würde die Zelle also nicht nur in sich zusammenfallen, sondern hätte auch potenziell gefährliche Gift- und Schadstoffe frei in ihrem Cytosol herumschwimmen.
Endoplasmatisches Retikulum
Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein hohles Membransystem, das sich durch die gesamte Zelle zieht. Es ist mit dem Zellkern verbunden und ist das Kompartiment, an dem Proteine zusammengebaut werden. Das passiert mithilfe von Ribosomen, die sich am ER befinden.
Eine andere Funktion des ER ist es, große Mengen an Calcium zu speichern. Das Calcium kann sich – durch eine Membran vom Cytoplasma getrennt – hier ansammeln, ohne Prozesse in anderen Kompartimenten zu beeinflussen.
In diesem Fall hilft die Kompartimentierung sowohl bei der Speicherung von Stoffen als auch bei der möglichst fehlerfreien Zusammensetzung neuer Proteine.
Golgi-Apparat
Der Golgi-Apparat ist ebenfalls ein Hohlraum, der von Membranen umschlossen ist. Dieses Kompartiment hat vor allem die Funktion, Vesikel zu empfangen und zu verschicken. Du kannst es dir daher ein wenig wie ein Paketverteilungszentrum vorstellen.
Vesikel sind kleine Membranbläschen, in denen verschiedene Moleküle und Proteine in, aus und durch die Zelle transportiert werden können. Die Aufnahme von Stoffen durch Vesikel in Zellen wird auch als Endozytose bezeichnet.
Durch die Abgrenzung des Golgi-Apparates mithilfe einer Membran kann die Ordnung der Zelle und der korrekte Transport der Vesikel an verschiedene Standorte sichergestellt werden.
Eine andere Funktion des Golgi-Apparates ist, Proteine, die am ER zusammengebaut wurden, durch Modifikation zu vervollständigen. Beispielsweise kann das Anhängen von funktionellen Gruppen wie Zucker- oder Fettmolekülen die Funktionalität eines Proteins vervollständigen.
Zellkern
Der Zellkern enthält das wohl wichtigste Gut der Zelle: Chromosomen, die das Erbgut beinhalten. Geschützt von einer äußeren und einer inneren Membran, ist die DNA hier gut aufgehoben. Wichtige Prozesse, wie die DNA Replikation oder die Transkription, können hier ungestört ablaufen.
In diesem Fall hilft die Kompartimentierung der Zelle, ihr wichtigstes Gut sicher vor den vielen Prozessen im Cytosol zu bewahren. Außerdem kann die Zelle ihre Funktionen dadurch so korrekt wie möglich ausüben, ohne mehr Fehler wie nötig in neue DNA- und RNA-Stränge einzubauen.
Bisher konntest du einige der wichtigsten eukaryotischen Kompartimente näher kennenlernen. Außer diesen gibt es natürlich noch viele weitere, die verschiedene Funktionen übernehmen können. Dazu gehören zum Beispiel die bereits erwähnten Vesikel oder Ribosomen. Auch können die Kompartimente – je nach dem betrachteten Zell- und Gewebetyp – variieren.
Die Kompartimentierungsregel
Um genau definieren zu können, was als eigenes Kompartiment gezählt wird, wurde 1966 ein Theorem zur Kompartimentierung aufgestellt.
Benannt wurde diese Kompartimentierungsregel nach dem Mann, der sie als Erstes formulierte: Eberhard Schnepf. Entsprechend wird die Regel also auch als Schnepf'sche Regel oder Schnepf'sches Theorem bezeichnet.
Laut der Kompartimentierungsregel wird von einer Biomembran eine plasmatische von einer nicht-plasmatischen Phase getrennt.
Ein plasmatischer Bereich ist – wie der Name schon verrät – ein Bereich der Zelle, der mit Plasma gefüllt ist. Ein nicht-plasmatischer Bereich ist es nicht.
Trennung durch eine Membran
Laut dem Schnepf'schen Theorem befindet sich bei der Kompartimentierung eine Membran zwischen einer plasmatischen und einer nicht-plasmatischen Phase.
- Das einfachste Beispiel hierfür ist die Plasmamembran: Sie ist eine Biomembran, die das Cytoplasma (eine plasmatische Phase) und den extrazellulären Raum (eine nicht-plasmatische Phase) voneinander trennt.
- Derselbe Fall liegt für Vakuolen vor: Der Tonoplast trennt das Cytoplasma (eine plasmatische Phase) vom Inhalt der Vakuole (einem nicht-plasmatischen Raum).
- Eine solche Kompartimentierung besteht auch für folgende Bereiche, die du bereits kennenlernen durftest: das Endoplasmatische Retikulum, den Golgi-Apparat, und Vesikel.
Trennung durch zwei Membranen
Ein besonderer Fall liegt dann vor, wenn ein Kompartiment von zwei Membranen eingegrenzt ist. Das kommt zum Beispiel vor, wenn ein Bereich von einer äußeren und einer inneren Membran umgeben ist. Hierbei ist nämlich zu beachten, dass der Intermembranraum als eigenes Kompartiment mit nicht-plasmatischer Phase gilt.
Wenn du noch einmal auf die verschiedenen Fälle schaust, in denen Kompartimentierungen vorkommen, dann fällt dir vielleicht auf, dass so eine Eingrenzung durch zwei Membranen recht oft der Fall war: zum Beispiel bei Mitochondrien, Chloroplasten oder auch beim Zellkern.
Nehmen wir uns hier einmal die Chloroplasten als Beispiel:
Sie befinden sich im Cytoplasma, einer plasmatischen Phase. Davon sind sie durch die äußere Membran abgegrenzt. Zwischen dieser äußeren Membran und der nächsten, inneren Membran befindet sich der nicht-plasmatische Intermembranraum.
Innerhalb der inneren Membran befindet sich die Matrix, diese ist wieder eine plasmatische Phase. Abgegrenzt durch die Thylakoidmembran befinden sich in der Matrix die Thylakoide – diese sind wiederum nicht-plasmatische Bereiche.
Um diese Erklärung nachzuvollziehen, nimm dir am besten Abbildung 2 vor und versuche, die einzelnen Bereiche durchzugehen. Merkst du, wie sich plasmatische und nicht-plasmatische Bereiche nach jeder Membran abwechseln?
Ausnahmen der Kompartimentierungsregel
Wie jede Regel hat auch die Kompartimentierungsregel Ausnahmen.
Ein Beispiel ist der Zellkern. Obwohl sich innerhalb des Zellkerns keine trennenden Membranen befinden, kann der Raum innerhalb des Kerns trotzdem in verschiedene Kompartimente unterteilt werden.
Diese unterscheiden sich nur dadurch, in welcher Form sich die DNA befindet: Je nachdem, kann sie in euchromatische und heterochromatische Bereiche unterteilt werden.
Heterochromatische DNA-Abschnitte sind sehr dicht zusammengepackt, während euchromatische DNA aufgelockerter vorliegt. Diese Zustände sind nötig, weil sich in den euchromatischen Bereichen der DNA Gene befinden, die z. B. gerade für die Transkription oder Replikation zugänglich sein müssen.
Die heterochromatischen Bereiche enthalten Bereiche der DNA, die gerade nicht in solche Prozesse verwickelt sind und deshalb auch nicht zugänglich für andere Proteine sein müssen. Deshalb macht es nichts, wenn die DNA hier dichter zusammengepackt ist.
Andere Ausnahmen von der Kompartimentierungsregel gibt es zum Beispiel dann, wenn Endocytobiose betrachtet wird.
Die Endocytobiose wird auch als Endocytosymbiose bezeichnet und beschreibt einen Zustand der Symbiose, bei dem ein einzelliges Lebewesen in einer Zelle eines mehrzelligen Lebewesens lebt.
In einem solchen Fall trennt die Biomembran des Einzellers nämlich sein eigenes Cytoplasma von dem des Mehrzellers und somit zwei plasmatische Bereiche voneinander. Das genaue Gegenteil der Kompartimentierungsregel ist also der Fall.
Kompartimentierung - Das Wichtigste
- Kompartimente sind räumlich getrennte Bereiche der eukaryotischen Zelle.
- Die Unterteilung der Kompartimente durch Biomembranen ermöglicht es der Zelle, genau zu kontrollieren, welche Proteine und Ionen sich innerhalb der Reaktionsräume befinden und die Bedingungen beeinflussen.
- Die Kompartimentierung erlaubt es der Zelle, gleichzeitig mehrere Stoffwechselprozesse zu durchlaufen, die unter verschiedenen Bedingungen ablaufen und unterschiedliche Proteine und Enzyme benötigen.
- Laut der Kompartimentierungsregel trennt eine Biomembran eine plasmatische von einer nicht-plasmatischen Phase.
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