Eukaryoten: Definition und Funktionsweise

Tiere, Pflanzen und Pilze sind Eukaryoten. Das bedeutet, dass sich die Zellen ihres Körpers mit ihren charakteristischen Merkmalen sich deutlich von den Prokaryoten absetzen. Diese stellen die Zellart der Bakterien und Archaeen dar. Worin genau sich die beiden Zelltypen unterscheiden und welche strukturellen Merkmale die Eukaryoten aufweisen, ist Thema dieses Artikels. Außerdem wirft er einen Blick auf die Entwicklungsgeschichte.

Eukaryoten – Definition

Alle Lebewesen, die in ihren Zellen einen Zellkern besitzen, bezeichnet man als Eukaryoten. Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umhüllt und stellt das Zellorganell dar, in dem die meiste Erbinformation des Lebewesens gespeichert ist. Oft besitzen die Zellen ein Zytoskelett und mehrere von einer Membran umgebenen Zellorganellen, die verschiedene Funktionen erfüllen.

Die zu Grunde liegende Zelle nennt man Eucyt oder auch eukaryotische Zelle.

Eukaryoten – Merkmale und Aufbau

Die eukaryotischen Zellen weisen in der Regel einen deutlich höheren Durchmesser auf als die Prokaryoten. Er reicht von zehn bis 30 Mikrometer, wodurch sie das hundert bis zehntausendfache Volumen im Vergleich zu Prokaryoten annehmen können.

Ein ganz besonderes Merkmal der Zellen ist die Kompartimentierung des Zellinneren. Sie ermöglicht den reibungslosen Ablauf verschiedener Stoffwechselwege in dem kleinen Zellinnenraum. Außerdem existiert ein Transportsystem, welches Stoffe über die gesamte Zelllänge verteilen kann.

Jedes Zellorganell übernimmt eine spezifische Aufgabe, wobei sich die genaue Zusammensetzung je nach Funktion der Zelle unterscheidet. So besitzen Zellen, die viel Energie aufbringen müssen, mehr Mitochondrien als andere. Das dient der Aufrechterhaltung des Organismus.

Kompartimentierung

Die Kompartimentierung beschreibt ein grundlegendes Prinzip in der Biologie. Es bedeutet, dass die Zelle in diesem Fall in viele unterschiedliche Teilbereiche, sogenannte Kompartimente, unterteilt ist. In den eukaryotischen Zellen ist das durch die einzelnen Zellorganellen mit ihrer umgebenden Zellmembran möglich. Diese grenzt sie vom Zytoplasma ab, sodass die Stoffwechselprozesse ungestört nebeneinander ablaufen können, ohne sich zu beeinflussen.

Zellorganellen

Je nach Zellart gibt es in Eucyten verschiedene Zellorganelle. Allen gemeinsam ist das Vorliegen eines Zellkerns. Dieser ist umgeben von einer Lipiddoppelschicht, welche über Kernporen die Kommunikation mit dem Rest der Zelle ermöglicht. In ihm findet sich die chromosomale DNA auf Chromatiden gespeichert. Die Prozesse der Transkription finden an diesem Ort statt.

Bei Tier- und Pflanzenzellen findet man weiterhin folgende Bestandteile:

• Ribosomen: Hier findet die Proteinbiosynthese, genauer gesagt die Translation statt. Dabei werden anhand der mRNA, die durch die Transkription im Zellkern entsteht, Proteine gebildet und anschließend freigesetzt. Die Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, die sich für diesen Prozess zusammenlagern. Die Proteinbiosynthese weist ein besonderes Merkmal auf. Im Gegensatz zu Prokaryoten können Eukaryoten alternatives Spleißen betreiben und somit aus der gleichen DNA-Information unterschiedliche Proteine herstellen.
• Endoplasmatische Retikulum (ER): Dieses Zellorganell beschreibt ein röhrenartiges Hohlraumsystem, welches wie ein Labyrinth verzweigt ist. Es ist ebenfalls von einer Membran umgeben und man unterscheidet zwischen dem glatten ER und dem rauen ER, wobei letzteres von Ribosomen besetzt ist. Grundlegende Aufgabe ist hierbei der Stofftransport und die Verteilung, sowie auch die Stoffproduktion.
• Golgi-Apparat: Er besteht aus vielen miteinander verschmolzenen, von einer Membran umschlossenen Bläschen, welche als Dictyosomen oder Zisternen bezeichnet werden. Diese stapeln sich und bilden im Gesamten den Golgi-Apparat. Er bildet und speichert sekretorische Vesikel, dient der Synthese und Modifizierung von weiteren Zellelementen und bildet primäre Lysosomen.
• Mitochondrien: Dieses Zellorganell ist von einer Doppelmembran umgeben und ist für die Energiegewinnung der Zelle essentiell. Hier läuft die Atmungskette und der Citratzyklus ab, wobei ATP, die Energiewährung der Zelle, gewonnen wird.
• Zytoplasma: Das Innere der Zelle, in der die Organellen “schwimmen”, ist das Zytoplasma. Dabei handelt es sich um eine wässrige Substanz, welche verschiedene Stoffe wie Proteine beinhaltet, aber auch zum Beispiel das Zytoskelett.

Tierzellen weisen als Besonderheiten beispielsweise Lysosomen auf, die zum Abbau schädlicher Stoffe dienen. Ein Merkmal von Pflanzenzellen sind etwa die Chloroplasten, die die Fotosynthese ermöglichen. Pflanzenzellen können auch eine Zellwand besitzen, die bei Tierzellen nicht vorhanden ist. Pilzzellen kennzeichnen sich ebenfalls durch eine Zellwand, jedoch aus Chitin, und Vakuolen, besitzen jedoch kein Chlorophyll oder Chloroplasten.

Cytoskelett

Damit die Eucyten ein gewisses Maß an Form und Stabilität erhalten können, existiert eine Art Baugerüst. Dieses nennt man Cytoskelett, welches gleichzeitig auch der Fortbewegung dient. Bausteine für das Skelett sind Mikrotubuli, Intermediärfilamente und Aktinfilamente. Daraus bilden sich Zilien oder Flagellen, welche aus zwei Mikrotubuli bestehen, die die Fortbewegung ermöglichen.

Mehrzellig vs. Einzellig

Eukaryoten können aus mehreren Eucyten bestehen oder lediglich aus einer. In letzterem Fall nennt man sie Einzeller. Pflanzliche Einzeller werden Protophyten genannt. Sie sind durch das Chlorophyll in der Lage, sich autotroph zu ernähren. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Alge Chlamydomonas. Pantoffeltierchen gehören zu den tierischen Einzellern.

Für mehrzellige Organismen schließen sich eine Vielzahl von eukaryotischen Zellen zusammen. In ihrer Gesamtheit halten sie den Organismus am Leben, wobei es unter ihnen auch spezialisierte Zellen gibt, die bestimmte Aufgaben übernehmen.

Eukaryoten – Vergleich mit Prokaryoten

Die folgende Tabelle stellt dar, wie sich Eukaryoten von Prokaryoten in ihrem Aufbau unterscheiden.

Eukaryoten – Systematik

Eukaryoten stellen ein eigenes Taxon dar, welches den Bacteria und Archaea (also den Prokaryoten) gegenübersteht. Ein Taxon beschreibt eine systematische Ordnungseinheit von Organismen.

2019 erfolgte die aktuellste Systematisierung der Eukaryoten von Adl et. al.. Diese gliedert die Eukaryoten in Amorphea und Diaphoretickes.

Die Gruppe der Armophea teilt sich wiederum in zwei Untergruppen:

• super-group Amoebozoa: Hierunter fallen Einzeller, die eine amöboide Gestallt aufweisen, etwa Schleimpilze oder Amöben.
• super group Obazoa: Sie umfasst die Opisthokonta, die die vielzelligen Tiere und Pilze beinhaltet, sowie die Breaviata und Apusmonadida.

Die Diaphoretickes besitzt drei Untergruppen:

• super-group Archaeplastida: Sie beinhaltet verschiedene Pflanzen.
• super-group Sar: Zu ihr zählen die Stramenopile.
• weitere Taxa mit unsicherer Stellung, zum Beispiel Cryptista, Haptista oder Picozoa.

Eukaryoten – Genregulation

Eukaryotische Zellen besitzen die Fähigkeit, ihre Genexpression zu regulieren. Damit greifen sie in die Produktion von Proteinen ein und können auf veränderte Umweltbedingungen reagieren.

Die Genregulation ist auf verschiedenen Ebenen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten möglich:

• während und vor der Transkription: Die Transkription beschreibt das Ablesen der Information für das Protein auf der DNA und das Schreiben der zugehörigen mRNA. Dabei können Transkriptionsfaktoren als Enhancer oder Silencer wirken und somit die Expression spezifischer Gene steigern oder verringern.
• Prozessierung und alternatives Spleißen: Nach der Transkription ist es möglich, das Produkt zu modifizieren. Hierunter fallen die Vorgänge des Cappings, Splicing, der Polyadenylierung und des RNA-Editings. Sie schützen zum Beispiel teilweise vor vorzeitigem Abbau, dienen der Initiation der Translation oder schneiden irrelevante Informationen heraus.
• während und nach der Translation: Neben der korrekten Faltung der Proteine finden spezifische chemische Veränderungen an ihnen statt. Diese können während oder nach der Translation ablaufen. Eine Methode ist die Proteinglykosylierung, bei der Kohlenhydratketten an das Protein angehangen werden. Auch ein Lipidanker oder die Sulfatierung ist möglich, genauso wie die reversible Proteinmodifikation. Sie dient der Regulation der Aktivität oder Haltbarkeit von Proteinen.

Eukaryoten – Entwicklungsgeschichte

Die bekannteste Theorie zur Entstehung der Eukaryoten ist die Endosymbiontentheorie. Die wahrscheinlichen Vorläufer der Eucyten sind die Urkaryoten, von denen nicht bekannt ist, ob sie Zellorganellen besaßen oder diese durch die Evolution entstanden sind. Hier setzt die Endosymbiontentheorie an, welche besagt dass die Mitochondrien und die Chloroplasten bakteriellen Ursprungs sind. Die Urkaryoten haben sie demnach als Nahrung aufgenommen und durch Zufall nicht verdaut, sodass sich ein symbiontisches Verhältnis entwickelte.

Eine Alternative zu dieser Hypothese stellt die sogenannte Wasserstoff-Hypothese dar. Laut dieser sollen die Mitochondrien durch Archaeen, den Urbakterien, erworben sein. Durch Forschung fand man heraus, dass die DNA einer Spezies, der Asgard-Archaeen, enger mit eukaryotischen Zellen als mit anderen Archaeen verwandt ist. Dieser Subtyp kann unter anoxischen Bedingungen, also ohne Sauerstoff, mit Bakterien in Symbiose leben. Dadurch könnten die ersten Eucyten durch den Erwerb von Mitochondrien unter diesen Umständen entstanden sein.

Die genaue Entstehung ist aber noch immer nicht komplett aufgeklärt. 2020 wurde eine Studie veröffentlicht, die anhand von Genomanalysen herausfand, dass die Vorfahren der Eukaryoten zuerst ihr Genom und danach die Mitochondrien erworben hatten.