Zellorganellen: Übersicht und Funktion

Ohne ihre Zellorganelle würden in einer Zelle nichts funktionieren. Sie übernehmen lebenswichtige Aufgaben und sichern so das Überleben der Zelle. Was für Aufgaben das sind und welche Zellorganelle es gibt, thematisiert dieser Artikel.

Zellorganellen – Definition

Unter Zellorganellen versteht man innerhalb einer Zelle liegende funktionelle Systeme, die von einer Lipidmembran umschlossen sind und jeweils eine besondere Funktion für die Zelle haben. Der Begriff ist allerdings nicht überall in der Literatur einheitlich definiert, sodass manche Autoren den Begriff auch auf Strukturen wie Centriolen, die nicht von einer Membran umgeben sind, ausweiten. Wenn man den Begriff der Zellorganellen hingegen im engeren Sinne betrachtet, bezieht er sich vor allem auf eukaryotische Zellen (also solche, die bei Menschen und Tieren vorkommen). Prokaryotische Zellen (bei Bakterien vorkommend) haben in der Regel keine Membranen im inneren der Zelle, wodurch manche Autoren die Strukturen in einer prokaryotischen Zelle nicht als Zellorganellen bezeichnen.

Zellorganellen – Übersicht

Zum einen gibt es Zellorganelle, die man typischerweise in allen eukaryotischen Zellen findet und deshalb ubiquitäre Zellorganellen nennt. Zu ihnen zählen folgende:

• Mitochondrien
• Endoplasmatisches Retikulum
• Golgi-Apparat
• Lysosomen
• Peroxisomen
• Endosomen
• Vesikeln
• Zellkern

Zum anderen gibt es Zellorganelle, die spezifisch für Pflanzenzellen oder andere Zellen sind. Hierzu gehören:

• Chloroplasten
• Vakuole

Im den folgenden Abschnitten werden die einzelnen Organellen sowie deren jeweilige Aufgaben näher beschrieben.

Zellorganellen – Mitochondrien

Mitochondrien sind von einer Doppelmembran umschlossene Zellorganellen und spielen eine essentielle Rolle in der Energiegewinnung der Zelle. Deshalb kommen sie in Zellen mit hohem Energiebedarf wie beispielsweise Leberzellen (Hepatozyten) besonders häufig vor.

Aufbau

Obwohl man zunächst davon ausging, dass es sich bei Mitochondrien um einzelne Organelle handelt, ist mittlerweile bekannt, dass sie mit einem dynamischen Netzwerk aus verzweigten Röhren ausgestattet sind. Diese bauen sich immer wieder um. Des Weiteren sind Mitochondrien von einer Doppelmembran umgeben, wovon die äußere Membran die Abgrenzung nach außen bildet und zudem Kanäle für die Durchlässigkeit von Molekülen besitzt. Die innere Membran hat hingegen große Einfaltungen, die weit ins Innere des Mitochondriums ragen. In ihr befinden sich Enzyme der Atmungskette sowie die ATP-Synthase (ein Transmembranprotein), deren Aufgabe die Herstellung von ATP ist. Den Raum zwischen den Membranen nennt man Intermembranraum. Sowohl die innere als auch die äußere Membran haben wichtige Aufgaben für die Aufrechterhaltung der Funktion des Mitochondriums. Die Aufgaben der äußeren Membran sind folgende:

• Sie enthält zahlreiche Porine (Transmembranproteine), die die freie Diffusion von Molekülen und Ionen zwischen dem Mitochondrium und dem Zytoplasma ermöglichen. Wenn die Moleküle allerdings zu groß sind, müssen sogenannte Translokasen hinzugezogen werden. Dabei handelt es sich um Transportproteine, die andere Moleküle aktiv durch die Membran bewegen können.
• Sie ermöglicht unter dem Einfluss von bestimmten Strukturen den Signalaustausch zwischen dem Endoplasmatischen Retikulum und dem Mitochondrium.

Die Funktionen der inneren Membran sind diese:

• Sie ist entscheidend für oxidative Phosphorylierung im Rahmen der Atmungskette, da sie die verschiedenen Proteinkomplexe dafür enthält.
• Die Einfuhr von Molekülen durch die Membran wird im Vergleich zu der äußeren Membran deutlich stärker kontrolliert, sodass sie als chemische Barriere und elektrische Isolationsschicht dient. Nichtsdestotrotz befinden sich in ihr jedoch auch Ionenkanäle (sogenannte Antiporter), Translokasen oder andere Carrier-Proteine.

Im Intermembranraum werden aufgrund der günstigen molekularen Zusammensetzung dieses Kompartiments besonders große Proteine wie Cytochrom C gelagert. Dieses übernimmt die Funktion des Elektronentransporters in der Atmungskette. Die Mitochondrienmatrix, die von der inneren Membran umschlossen wird, beinhaltet 60 Prozent aller Proteine des Mitochondriums. Darunter zählen vor allem Enzyme, deren Hauptaufgabe die Oxidation von Pyruvat und Fettsäuren sowie die Durchführung des Citratzyklus sind.

Funktion

Im Mitochondrium läuft die Atmungskette ab, wodurch es möglich ist, dass aus der aufgenommenen Glucose mit einem hohen Effizienzgrad ATP hergestellt wird. Dieses kann dann ins Zytosol abgegeben werden und ermöglicht dort zelluläre Prozesse, die Energie benötigen.

Des Weiteren sind Mitochondrien an den Reaktionen des Citratzyklus und der Beta-Oxidation beteiligt. Sie spielen zudem eine Rolle in der intrazellulären Speicherung von Calcium regulieren die sogenannte Apoptose, bei der es sich um den programmierten Zelltod handelt. Auch die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies, die der Signaltransduktion dienen, gehört zu ihren Aufgaben.

Genom der Mitochondrien

Eine Besonderheit der Mitochondrien besteht darin, dass sie ihr eigenes Genom besitzen. Diese kodieren allerdings nur für 13 mitchondriale Proteine, während die restlichen von der DNA im Zellkern kodiert werden. Die mitochondriale DNA wird über die Mutter, also maternal, vererbt.

Zellorganellen – Endoplasmatisches Retikulum

Das endoplasmatische Retikulum ist ein schlauch- und labyrinthförmiges Zellorganell, das im Zytosol liegt. Seine Hauptaufgabe besteht vor allem in der Speicherung und Synthese von Stoffen.

Aufbau

Es ist von einer Membran umgeben, die das Lumen umgibt und es vom Zytosol trennt. Beim endoplasmatischen Retikulum unterscheidet man aufgrund von struktureller Unterschiede die folgenden zwei Teile:

• raues endoplasmatisches Retikulum: Es ist mit Ribosomen ausgestattet und dient daher vor allem der Proteinsynthese und Proteinfaltung.
• glattes endoplasmatisches Retikulum: Hier läuft die Fettsäuresynthese, die Membranlipidsynthese und die Steroidsynthese ab.

Eine Sonderstellung nimmt das sarkoplasmatische Retikulum ein, welches in Muskelzellen vorkommt und dort die Speicherung von Calcium übernimmt.

Zellorganellen – Golgi-Apparat

Der Golgli-Apparat ist aus einem Stapel von untereinander verbundenen, tellerförmig gebogenen Membranräumen (Zisternen genannt) aufgebaut. Des Weiteren besteht er aus drei Kompartimente, die die Namen cis, medial und trans tragen. Dabei liegt die Cis-Seite normalerweise in der Nähe des Zellkerns und ist dem endoplasmatischen Retikulum zugewandt. Die Trans-Seite ist hingegen meist bei der Membran lokalisiert.

Eine Aufgabe des Golgi-Apparats ist das Verändern (Modifizieren) und Sortieren von Proteinen, die im endoplasmatischen Retikulum hergestellt werden. Dabei werden beispielsweise Monosaccharide von Molekülen abgespaltet oder Zuckerreste an andere Moleküle angehängt. Außerdem schnürt der Golgi-Apparat kleine Vesikel ab, die Zellprodukte beinhalten und für andere Zellorganellen mittels Sekretion bereitgestellt werden können.

Zellorganellen – Lysosomen

Unter Lysosomen, die eine Abspaltung des Golgi-Apparats darstellen, versteht man Zellorganellen, die wie kugelförmige Bläschen aussehen und aufgrund ihrer Funktion auch als Magen der Zelle bezeichnet werden. Dies liegt daran, dass sich im Innern der Lysosomen zahlreiche hydrolysierende Enzyme wie Nukleasen, Proteasen und Lipasen befinden. Sie dienen der intrazellulären Verdauung von nicht mehr gebrauchten Materialien und erreichen nur im sauren Milieu eine hohe Aktivität. Dieses saure Milieu ist im Inneren eines Lysosoms gegeben, da dort der pH-Wert unter fünf liegt. Die Notwendigkeit eines sauren Milieus schützt andere Zellorganellen für den Fall, dass Enzyme aus den geschädigten Lysosomen in das Zytosol gelangen. Dort herrscht ein alkalischeres Milieu, sodass die Enzyme nicht aktiv sind.

Zellorganellen – Peroxisomen

Peroxisomen kommen am zahlreichsten in Hepatozyten vor und sind von einer einschichtigen Lipidmembran umschlossen. Obwohl sie ähnlich wie die Lysosomen aussehen, handelt es sich bei Peroxisomen nicht um Abspaltungen des Golgi-Apparats.

Peroxisomen werden auch Entgiftungsapparat der Zelle genannt, weil sie mit der Hilfe von Enzymen Stoffwechselprodukte abbauen. Dabei geht es vor allem um sogenannte Radikale, bei denen es sich um Moleküle handelt, die ein ungepaartes Elektron besitzen und daher sehr reaktiv sind. Zum Abbau dieser Radikale existieren mehr als 50 verschiedene Mono- und Dioxygenasen, die mit den Radikalen fusionieren und somit ihre Reaktivität einschränken können. Zu den bekanntesten Enzymen der Peroxisomen zählen die namensgebenden Peroxidasen sowie die Katalasen. Die Peroxisomen können jedoch nicht nur Radikalen, sondern auch andere Stoffwechselprodukte abbauen. Sie sind beispielsweise in der Lage, Fettsäuren und Ethanol (Bestandteil des Trinkalkohols) zu Acetyl-CoA zu oxidieren.

Zellorganellen – Endosomen und Vesikel

Endosomen und Vesikel sind zentrale Komponenten des intrazellulären Transportsystems und spielen eine wichtige Rolle bei der Aufnahme, dem Transport und der Sortierung von Molekülen innerhalb der Zelle.

Endosomen sind membranumschlossene Zellorganellen, die in frühe und späte Endosomen unterteilt werden. Wenn die Zelle zellfremde Materialen aufnimmt, entstehen durch das Einstülpen und Abschnüren von Teilen der Zellmembran Vesikel (diesen Prozess nennt man Endozytose). Diese Vesikel fusionieren wiederum mit den frühen Endosomen, woraus anschließend späte Endosomen reifen.

Zellorganellen – Zellkern

Der Zellkern hat eine rundliche Form und liegt im Zytoplasma. Er ist unter dem Lichtmikroskop das am leichtesten zu erkennende Zellorganell und besitzt das Erbgut der Zelle in Form von Desoxyribonukleinsäure (DNA).

Aufbau

Die Kernhülle des Zellkerns besteht aus zwei Membranschichten, der inneren und der äußeren. Die äußere Membranschicht geht in das raue endoplasmatische Retikulum über und ist daher ebenfalls mit Ribosomen ausgestattet. Die innere Kernmembran liegt hingegen der Kernlamina an, die aus Intermediärfilamenten zusammengesetzt ist und den Zellkern stützt. Außerdem trennt sie die innere Membran vom Chromatin des Zellkerns. Des Weiteren befinden sich in der Kernhülle Kernporen, die ungefähr ein Viertel der Oberfläche bedecken und den Austausch von Stoffen mit dem Zytoplasma ermöglichen.

Der wichtigste Bestandteil des Zellkerns, die DNA, findet sich aufgewickelt auf bestimmten Kernproteinen, den Histonen. Zudem sind dort auch andere Kernproteine wie beispielsweise die DNA-Polymerasen, RNA-Polymerasen und die Ribonukleinsäuren vorhanden. Bei der Mitose kommt es während des Teilungsvorgang zu einer Auflösung der Kernhülle, sodass der Zellkern vorübergehend nicht mehr zu sehen ist. Dabei entstehen aus dem Chromatin Chromosomen, die dazu dienen, dass die DNA auf die Tochterzellen verteilt werden kann. Wenn die Zellteilung beendet ist, bilden sich die Kernhüllen um die Zellkerne der Tochterzellen und die Chromosomen werden wieder zu Chromatin.

Funktion

Im Zellkern laufen wichtige Prozesse wie die Replikation und die Transkription ab. Bei der Replikation wird die DNA verdoppelt, damit jede Tochterzelle nach der Zellteilung eine vollständige Kopie des genetischen Materials erhält. Hierzu entwindet das Enzym Helicase zunächst die Doppelhelix der DNA und trennt die beiden Stränge. Anschließend fügt das Enzym DNA-Polymerase komplementäre Nukleotide zu den Einzelsträngen hinzu, sodass zwei neue Doppelstränge gebildet werden. Dabei besteht jeder neue Doppelstrang aus einem alten und einem neuen Strang (Prinzip der semikonservativen Replikation). Die Replikation endet schließlich damit, dass zwei identische Kopien der DNA vorliegen. 

Bei der Transkription geht es darum, dass ein bestimmter Genabschnitt der DNA in eine Messenger-RNA (mRNA) umgeschrieben wird. Diese enthält Informationen über die Synthese von Proteinen und wird für die Proteinbiosynthese benötigt. Als erstes bindet das Enzym RNA-Polymerase an den Promotorbereich des Gens und entwindet einen Teil der DNA. Dann stellt es einen mRNA-Strang her, indem es die Nukleotide der RNA komplementär zu den DNA-Basen anordnet (für die RNA wird die Base Uracil statt Thymin verwendet). Anschließend wird die mRNA modifiziert und verlässt den Zellkern, um im Zytoplasma im Rahmen der Translation in ein Protein umgewandelt zu werden.

Zellorganellen – Vakuole

Bei Vakuolen handelt es sich um einen durch eine Membran abgegrenzten Zellraum, der mit Flüssigkeit gefüllt ist. Sie gehören, im Gegensatz zu den bisher behandelten Zellorganellen, nicht zu den ubiquitären Organellen, da sie vor allem in Pflanzen- und Pilzzellen vorkommen. Sie existieren allerdings auch in tierischen Zellen, allerdings sind sie dort deutlich kleiner und weniger prominent.

Vakuolen entstehen durch die Verschmelzung von mehreren Membranvesikeln und können daher auch als größere Form dieser Vesikel gesehen werden. Die Funktionen, die Vakuolen haben, variieren stark je nach Zelltyp, in dem sie vorkommen (in Pflanzenzellen haben sie den höchsten Stellenwert). Zu den Aufgaben zählen:

• Isolierung von Materialien, die einen schädlichen oder bedrohlichen Einfluss auf die Zelle haben können oder den Stoffwechsel stören.
• Speicherung von Wasser in Pflanzenzellen.
• Aufrechterhaltung des inneren hydrostatischen Drucks oder Turgors innerhalb der Zelle.
• Aufrechterhaltung eines sauren inneren pH-Werts.
• Export unerwünschter Substanzen aus der Zelle.
• Unterstützung von Pflanzenstrukturen (zum Beispiel Blätter oder Blüten) durch den Druck der zentralen Vakuolen.
• Schnelles Wachstum von keimenden Pflanzen durch Vergrößerung der Vakuole (dabei wird hauptsächlich Wasser verwendet).

Zellorganellen – Chloroplasten

Chloroplasten sind spezialisierte Zellorganellen, die in Pflanzenzellen vorkommen und von einer Doppelmembran umgeben sind. Sie enthalten Chlorophyll und bilden den Ort, an dem die Photosynthese stattfindet. Dabei handelt es sich um einen Stoffwechselweg, bei dem die Chloroplasten aus Wasser und Kohlenstoffdioxid mithilfe von Lichtenergie Glucose und Sauerstoff herstellen. Die Glucose wird dann anschließend von den meisten Pflanzen in wasserunlösliche Stärke umgewandelt.