Cytologie

Kompartimentierung

Was ist Kompartimentierung in der Biologie, welche Bedeutung hat sie und welche Zellkompartimente gibt es? Das alles erfährst du in diesem Beitrag. %Du willst das Thema noch schneller verstehen? Dann schaue dir doch gerne unser anschauliches Video dazu an.

Inhaltsübersicht

Kompartimentierung einfach erklärt

Wenn du eine eukaryotische Zelle unter einem Elektronenmikroskop betrachtest, wird dir auffallen, dass diese in bestimmte Bereiche unterteilt ist. Es handelt sich hierbei um die sogenannte Kompartimentierung (Zellkompartimentierung). Die einzelnen Bereiche werden entsprechend als Kompartimente bezeichnet. 

Das betrifft vor allem die Zellen höherer Lebewesen, also die Eukaryoten (Tiere , Pflanzen und Pilze). 

Zellkompartimente sind meist durch eine einfache oder doppelte Trennschicht (Biomembran ) voneinander abgegrenzt. Sie ist nur für bestimmte Stoffe durchlässig und ermöglicht, dass in jedem Kompartiment unterschiedliche Bedingungen wie pH-Wert, Ionenkonzentration oder  Enzymausstattung herrschen können. Dadurch können in der Zelle unterschiedliche biochemische Reaktionen gleichzeitig und unabhängig voneinander stattfinden.

Es bilden sich also abgegrenzte Reaktionsräume, in denen sich die darin enthaltenen Stoffe (fast) nicht mit Stoffen aus anderen Kompartimenten vermischen und dadurch den Reaktionsverlauf negativ beeinflussen würden.

Wichtige Zellkompartimente sind beispielsweise die Mitochondrien , in denen Energie gewonnen wird, oder auch die Chloroplasten in Pflanzenzellen, die Photosynthese betreiben.

Definition

Die Kompartimentierung bzw. Zellkompartimentierung ist ein wichtiges Grundprinzip in der Biologie. Du kannst darunter die Bildung verschiedener Räume (Kompartimente) innerhalb von Zellen verstehen, die meist durch Membrane abgegrenzt sind.

Kompartimentierung Zelle

Wie du bereits gelernt hast, besitzen Zellen bestimmte Zellkompartimente, die in sich geschlossene funktionale Einheiten bilden.

Du kannst dir das Prinzip der Zellkompartimentierung wie ein Haus mit vielen verschiedenen Zimmern (z.B. Küche, Bad, Schlafzimmer) vorstellen. Das Haus soll in diesem Vergleich für die Zelle stehen und die einzelnen Zimmer für die jeweiligen Zellkompartimente. Jedes Zimmer zeichnet sich durch spezielle Möbel aus (z.B. Klo, Dusche, Backofen, Bett), in jedem Zimmer finden unterschiedliche Aktivitäten statt (z.B. kochen, duschen, schlafen) und jedes Zimmer ist von den anderen Zimmern räumlich abgegrenzt.

%<img class="" src="https://c8.alamy.com/comp/BB466T/typical-animal-cell-and-plant-cell-BB466T.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="564" height="312" />

%Beschriftung: Tierzelle und Pflanzenzelle mit Zellkompartimenten, alt Text: ER, Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Zellorganellen, Zellkompartimente, Zellkern, Vakuole, Mitochondrien, Chloroplasten

%Kommentar zum Bild: Hier am besten eine Gegenüberstellung von tierischer und pflanzlicher verwenden z.B. aus Video Tierische vs. pflanzliche Zelle inkl. Beschriftung der wichtigsten Kompartimente/Organellen + kennzeichnen, dass es sich hierbei um die Kompartimente handelt; gerne auch die Membranen farblich hervorheben

Kompartimentierung durch Biomembranen

Genauso verhält es sich auch in den Zellen: Die Zellkompartimente sind meist durch einfache (z.B. beim Zellkern) oder doppelte Biomembranen (z.B. bei Mitochondrien oder Chloroplasten) voneinander getrennt. Es handelt sich hierbei um eine Doppelschicht, die aus sogenannten Phospholipiden besteht.

Sie sorgt dafür, dass nur bestimmte Stoffe, wie kleine, ungeladene Moleküle (z.B. Wasser %H_2O) oder Gase (Sauerstoff %O_2) die Membranen und somit die Kompartimente passieren oder verlassen können (=selektive Permeabilität ).

Diese „selektive Barriere“ sorgt nun dafür, dass in jedem Kompartiment unterschiedliche Bedingungen wie der pH-Wert , Ionenkonzentration usw. herrschen können.  

%Abbildung Biomembran aus Artikel Biomembran

In den Chloroplasten selbst kommt sogar noch weiteres Kompartiment – die Thylakoidmembran – hinzu. Sie bildet einen eigenständigen, stapelförmigen Reaktionsraum, in dem ein Teilprozess der Photosynthese, nämlich die Lichtreaktion , stattfindet.

%<img class="" src="https://i.ytimg.com/vi/l2vezjyJorM/maxresdefault.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="437" height="246" />

%Beschriftung: Chloroplast mit Thylakoidmembransystem, alt Text: Chloroplasten, Photosynthese, Lichtreaktion, Zellkompartiment, Membran, Grana, Stroma, Thylakoide

%Kommentar zum Bild: Bild aus Video/Artikel Chloroplasten/Photosynthese einfügen; es sollten die Thylakiodstapel sichtbar sein und beschriftet sein und am besten vermerken, dass dort die Lichtreaktion stattfinden

Kompartimentierungsregel

Die Kompartimentierungsregel nach E.Schnepf besagt, dass alle membranumgrenzten Reaktionsräume in eukaryotischen Zellen immer eine plasmatische und nicht plasmatische Seite aufweisen. Diese werden durch eine Biomembran voneinander abgegrenzt. Außerhalb der Zellmembran liegt dann die nicht plasmatische Seite vor, innerhalb der Zelle die plasmatische. 

Außerdem kannst du dir noch merken, dass die Inhalte des Endoplasmatischen Retikulums, des Golgi-Apparat, der Lysosomen, der Vakuolen und der Vesikel zu der nicht plasmatischen Seite gezählt werden können. 

Sonderfälle 

Es gibt aber auch Zellkompartimente, die nicht von Zellmembranen abgegrenzt werden. Allerdings muss sich in diesem Fall dann der Bereich strukturell oder funktionell von der Umgebung abheben.

Das Cytoplasma , also die innere Zellsubstanz, wird als eigenständiges Kompartiment bezeichnet, obwohl es von keiner eigenen Membran umgeben ist. Laut mancher Definitionen kann auch die Plasmamembran selbst als Zellkompartiment bezeichnet werden. 

Eine weitere Ausnahme stellen bestimmte Bereiche im Zellkern, in denen die Erbinformation (DNA) %Verweis und Proteine verpackt sind dar. Je nachdem, wie dicht dieses Netzwerk (=Chromatin) ist, kannst du zwischen dem euchromatischen Bereich (aufgelockert, weniger dicht) und dem heterochromatischen Bereich (sehr dicht) unterscheiden.

Definitionsgemäß bezieht sich die Abgrenzung in Kompartimente auf die höheren, eukaryotischen Zellen. Behalte aber im Hinterkopf, dass auch Prokaryoten begrenzte Räume besitzen können. Ein Beispiel hierfür sind sogenannte Chlorosomen, in denen Photosynthese ablaufen kann. 

Achte auch darauf, dass manche Definitionen die Begriffe Zellorganellen und Zellkompartimente synonym verwenden und in anderen Abgrenzungen vorgenommen werden. 

Zellkompartimente Beispiele

Im Folgenden haben wir dir noch einmal wichtige Zellkompartimente aufgelistet:

Kompartimentierung Bedeutung

Welche Bedeutung hat die Kompartimentierung nun für unsere Zellen? Relevante Aspekte sind die Bildung von Reaktionsräumen, die Bildung von Konzentrationsunterschieden und die Beschleunigung der stattfindenden Stoffwechselreaktionen.

Bildung von Reaktionsräumen

Die wichtigste Bedeutung der Kompartimentierung ist, dass klar definierte, abgegrenzte Reaktionsräume entstehen können. In ihnen können dann verschiedene relevante Stoffwechsel oder Entgiftungsprozesse ablaufen, die sich ohne eine Abgrenzung gegenseitig beeinflussen würden. Das würden den gesamten  Zellstoffwechsel durcheinander bringen.

Beispiele stellen hier die Kompartimentierung in den Mitochondrien dar. In ihnen läuft unter anderem der Citratzyklus und die Atmungskette  zur Energiegewinnung (ATP ) ab. Weitere Beispiele sind die Bildung von Membranmaterial im Endoplasmatischen Retikulum (ER). 

%<img class="" src="https://shop.strato.de/WebRoot/Store23/Shops/78853958/MediaGallery/Abb._2_ATP-Produktion.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="439" height="329" />

%Beschriftung: Citratzyklus und die Atmungskette zur Energiegewinnung in den Mitochondrien; alt Text: ATP, Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette, oxidative Phosphorylierung, Mitochondrien, Membran, Matrix

%Kommentar zum Bild: Hier gerne ein Bild aus den Artikeln/Videos Mitochondrien/ATP/Citratzyklus verwenden, es sollte eine schematische Darstellung eines Mitochondriums + der Ablauf des Citratzyklus (findet in der Matrix statt) und die Atmungskette (in der inneren Membran) gekennzeichnet werden; außerdem sollte deutlich werden, dass dabei Energie produziert wird; der obere Teil mit Glykolyse usw. kann weg

Durch die Zellkompartimentierung können diese Reaktionen gleichzeitig und unabhängig voneinander ablaufen. Die Abgrenzung durch die Biomembran ermöglicht einerseits ein konstantes inneres Milieu innerhalb der Kompartimente, denn jede Reaktion benötigt einen unterschiedlichen pH-Wert, Ionenkonzentration oder Enzymausstattung. Im Citratzyklus werden beispielsweise andere Enzyme benötigt als zur Herstellung von Proteinen

Bildung von Konzentrationsunterschieden

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Kompartimentierung liegt im Aufbau von sogenannten Konzentrationsunterschieden oder Konzentrationsgradienten zwischen zwei unterschiedlichen Kompartimenten.

Darunter kannst du verstehen, dass sich bestimmte Stoffe wie Ionen in einem membranumschlossenen Kompartiment anreichern. Da die Membranen, wie du bereits gelernt hast, für manche Stoffe eine Art Barriere darstellen, können sie das Kompartiment nicht mehr verlassen. Das hat zur Folge, dass dieser Stoff im benachbarten Kompartiment hingegen kaum oder gar nicht vorhanden ist.

Den dadurch entstehende Unterschied der jeweiligen Konzentrationen kannst du als Konzentrationsgradient bezeichnen. Das spielt vor allem bei der ATP-Herstellung (z.B. in der Atmungskette oder der Photosynthese) oder dem Membrantransport eine tragende Rolle. Um diesen Konzentrationsunterschied auszugleichen, können Stoffe beispielsweise durch spezielle Kanäle die Membran durchqueren und dadurch auf das Kompartiment verlassen.

%<img src="http://bp2.blogger.com/_4dRGP8k7q5o/RzDA-w5RuUI/AAAAAAAAAAM/H-o67hqnTpw/s320/atpase_il.jpg" alt="Quellbild anzeigen" />

%Beschriftung: ATP-Gewinnung aufgrund eines Protonengradienten alt Text: ATP, Protonengradient, chemiosmotische Hypothese, Atmungskette, Photosynthese, Mitochondrien, Membran

%Kommentar zum Bild: Hier auch gerne Bild aus Video/Artikel ATP/Atmungskette/Photosynthese usw. entnehmen; es sollte auf einer Seite viele Protonen und auf der anderen wenige und die ATP-Synthase schematisch dargestellt sein

Beschleunigung der Stoffwechselreaktionen  

Von großer Bedeutung ist auch die Beschleunigung der Stoffwechselreaktionen, die durch eine Bildung von begrenzten Zellkompartimenten zustande kommt.

Da die an den Reaktionen beteiligten Teilchen nicht in der gesamten Zelle „lose“ verteilt sind, sondern sich in einem abgetrennten Kompartiment befinden, liegen sie dort in einer höheren Konzentration vor. Dadurch erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit des Zusammentreffens dieser Teilchen, was wiederum eine stattfindenden Reaktion wahrscheinlicher macht (Ficksches Gesetz ). Das erhöht auch die Anzahl der Produkte und sorgt für mehr Effizienz der Zellreaktionen. 

Endomembransystem

Die Kompartimente der Zellen sind nicht immer ein klar definierter Bereich (z.B. ein Mitochondrium, das durch doppelte Membranhülle begrenzt ist), sondern können durchaus ein dynamisches Gebilde darstellen.

Das ist beim sogenannten Endomembransystem der Fall. Hier sind alle membranumhüllten Kompartimente gemeint, die durch den Transport kleiner membranumhüllter Bläschen – den sogenannten Vesikeln – miteinander verbunden. 

Dazu zählt beispielsweise das Endoplasmatische Retikulum und der Golgi Apparat. Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein Netzwerk aus membranumhüllten Schläuchen und kleinen Säcken und sorgt für die Bildung von Membranmaterial. Dieses wird in kleinen Vesikeln verpackt und zum Golgi Apparat transportiert. Die Vesikel bilden sich, indem sie von der ursprünglichen Zellmembran abgeschnürt werden. Den Vorgang kannst du als Exocytose bezeichnen.

Die Vesikel können dann mit der Membran des Golgi – Apparats verschmelzen (fusionieren) und dadurch dort aufgenommen werden. Den Prozess kannst du als als Endocytose verstehen. Da sich die Membranen durch den Vesikeltransport immer wieder verkürzen oder verlängern kannst du hier von dynamischen Kompartimenten sprechen. 

%<img class="" src="http://www.schoolwork.de/images/bioeinzellergolgibig.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="283" height="327" />

%Beschriftung: Golgi-Apparat und Endoplasmatisches Retikulum, alt Text: ER, Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Vesikel, Endozytose, Exozytose

%Kommentar zum Bild: Hier auch gerne Bild aus Video/Artikel Golgi-Apparat, Exo/Endozytose entnehmen, es sollten beide Organellen abgebildet sein und Vesikeltransport angedeutet sein

 

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