Zellorganellen: Wie die Arbeit im Zellinneren zusammenläuft

Zytosol, Zytoplasma und abgegrenzte Reaktionsräume

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Im Inneren einer Körperzelle liegt eine wässrige Umgebung mit gelösten Salzen, kleinen Molekülen und sehr vielen Proteinen. Dieser flüssige Anteil heißt Zytosol. Zusammen mit den darin liegenden Organellen und dem Zytoskelett bildet er das Zytoplasma. Bei einer typischen menschlichen Zelle wird der Zellkern als eigener Bereich betrachtet.

Zahlreiche Reaktionen finden direkt im Zytosol statt. Andere benötigen besondere Bedingungen: eine andere Zusammensetzung, geeignete Enzyme oder ein deutlich anderes Milieu. Eine Membran schafft dafür einen abgegrenzten Raum. Transportproteine und Kontaktstellen regeln dessen Austausch mit der übrigen Zelle. Die Unterteilung in solche Kompartimente ermöglicht, dass unterschiedliche Arbeitsvorgänge gleichzeitig und in enger Nachbarschaft ablaufen.

Auch die räumliche Anordnung ist funktionell wichtig. Ein Protein kann an einer Membran hergestellt, in ein Transportbläschen verpackt und zu einem anderen Bereich gebracht werden. Eine energieverbrauchende Transportpumpe kann in der Nähe gut versorgter Mitochondrien arbeiten. Das Zellinnere ist dabei in ständiger Bewegung. Organellen verändern ihre Lage, Vesikel entstehen und verschmelzen, und Bauteile werden erneuert. [1]

Der Zellkern: Information und geregelter Austausch

Die Kernhülle besteht aus zwei Membranen. Kernporen durchspannen diese Hülle und ermöglichen einen kontrollierten Austausch zwischen Zellkern und Zytoplasma. Verschiedene RNA-Moleküle verlassen den Kern; benötigte Kernproteine gelangen in die Gegenrichtung hinein. Die äußere Kernmembran steht mit dem endoplasmatischen Retikulum in Verbindung.

Im Zellkern liegt DNA zusammen mit zugehörigen Proteinen als Chromatin vor. Welche Abschnitte zugänglich sind und abgelesen werden, hängt von der Spezialisierung und dem Zustand der Zelle ab. Für ein herzustellendes Protein wird eine Boten-RNA erzeugt und verarbeitet. Diese kann anschließend im Zytoplasma als Vorlage dienen. Im Kernkörperchen, dem Nukleolus, entstehen wesentliche Bestandteile der Ribosomenuntereinheiten.

Die Zahl der Zellkerne passt zum Zelltyp. Viele Körperzellen besitzen einen Kern. Die langgestreckten Fasern der Skelettmuskulatur enthalten zahlreiche Kerne, weil sie während der Entwicklung durch Verschmelzung von Vorläuferzellen entstehen. Reife rote Blutkörperchen haben ihren Kern abgegeben. Eine Übersichtsgrafik einer typischen Zelle zeigt deshalb eine gemeinsame Organisationsform; die Gestalt einer konkreten Zelle erschließt sich aus ihrer Funktion. [2][3]

Ribosomen und raues Retikulum: Proteine auf den Weg bringen

Ribosomen bestehen aus RNA und Proteinen. Sie lesen die Information einer Boten-RNA und verbinden Aminosäuren in der vorgegebenen Reihenfolge. Die entstehende Kette faltet sich zu einem Protein und kann weitere Verarbeitungsschritte durchlaufen. Ribosomen liegen frei im Zytosol oder sitzen während der Herstellung bestimmter Proteine am rauen endoplasmatischen Retikulum.

Das raue Retikulum ist ein zusammenhängendes System membranbegrenzter Räume. Seine Oberfläche erscheint durch die anliegenden Ribosomen körnig. Über diesen Weg werden unter anderem zahlreiche Proteine für die Abgabe aus der Zelle sowie Membranproteine hergestellt. Während ihrer Bildung gelangen geeignete Proteinabschnitte in den Innenraum oder in die Membran des Retikulums. Dort beginnen Faltung und Bearbeitung.

Ein hilfreiches Beispiel ist eine sekretbildende Drüsenzelle. Sie benötigt große Mengen bestimmter Proteine. Entsprechend ausgeprägt können ihr raues Retikulum und ihr Golgi-Apparat sein. Anhand der Ausstattung wird somit erkennbar, welche Arbeit eine Zelle besonders häufig verrichtet. Der gesamte Weg setzt eine abgestimmte Bereitstellung von Aminosäuren, Energie, RNA und Transportmöglichkeiten voraus. [1][3]

Glattes Retikulum und Golgi-Apparat: verändern, sortieren, versenden

Am glatten Retikulum fehlen die aufgelagerten Ribosomen. Hier finden unter anderem Schritte der Lipidbildung statt. Je nach Zelltyp beteiligt sich dieser Bereich außerdem am Umgang mit bestimmten Fremdstoffen und an der Speicherung von Kalzium. Kalzium ist ein wichtiger Signalstoff; eine geregelte Speicherung erlaubt eine zeitlich und räumlich abgestimmte Freisetzung.

Der Golgi-Apparat besteht aus geordneten flachen Membransäckchen. Er besitzt eine Empfangsseite und eine Abgabeseite. Material aus dem Retikulum erreicht ihn in Transportvesikeln. Bei der weiteren Passage können Proteine und Lipide verändert und für ihren Bestimmungsort sortiert werden. Vesikel übernehmen den anschließenden Transport zu anderen Membranen oder zur Zelloberfläche.

Bei einer Exozytose verschmilzt eine Vesikelmembran mit der Zellmembran. Der Vesikelinhalt gelangt dadurch in den Raum außerhalb der Zelle; die Membranbestandteile werden in die Oberfläche eingebaut. Bei der Endozytose schnürt sich umgekehrt Material an der Oberfläche nach innen ab. Aufbau und Rücknahme von Membran werden auf diese Weise mit Aufnahme und Abgabe von Stoffen verbunden. [1][4]

Mitochondrien: Energieumwandlung an einer inneren Membran

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Mitochondrien besitzen eine äußere und eine stark gegliederte innere Membran. Zwischen beiden liegt der Intermembranraum, innen die Matrix. Die Falten der inneren Membran heißen Cristae. Ihre Fläche trägt molekulare Systeme, die an der oxidativen Bereitstellung von ATP beteiligt sind.

Beim Abbau von Nährstoffen werden energiereiche Elektronen auf Überträger übertragen. In den Mitochondrien ist deren weitere Verarbeitung mit dem Aufbau eines Protonengradienten über der inneren Membran gekoppelt. Die ATP-Synthase nutzt diesen Unterschied zur Bildung von ATP. Die genaue Abfolge gehört zur Zellatmung und verbindet chemische Energie aus Nährstoffen mit unmittelbar nutzbaren Arbeitsvorgängen der Zelle. Sauerstoff wird dabei am Ende der Atmungskette benötigt.

Ein ATP-Molekül kann seine chemische Energie beispielsweise an eine Transportpumpe oder an einen Schritt der Muskelarbeit koppeln. Zellen mit kontinuierlich hohem Energiebedarf besitzen häufig viele Mitochondrien. Deren Zahl, Gestalt und räumliche Verteilung werden angepasst. In lebenden Zellen treten neben kurzen Mitochondrien auch längliche und vernetzte Formen auf. Teilung und Verschmelzung verändern diese Anordnung. [7]

Mitochondrien besitzen eine eigene kleine DNA. Der weitaus größere Teil ihrer benötigten Proteine wird nach Information des Zellkerns außerhalb der Mitochondrien hergestellt und anschließend eingeführt. So ist auch dieser vergleichsweise eigenständige Zellbereich eng in die Zusammenarbeit der gesamten Zelle eingebunden. [1][2][5][6]

Lysosomen: Material abbauen und Bestandteile zurückgewinnen

Lysosomen sind von einer Membran umschlossene Räume mit abbauenden Enzymen. Ihr saures Innenmilieu unterstützt die Arbeit dieser Enzyme. Über Aufnahme- und Sortierwege gelangt Material von außen in diesen Abbauweg. Auch beschädigte oder nicht mehr benötigte eigene Bestandteile können dem lysosomalen Abbau zugeführt werden.

Bei der Autophagie wird zelleigenes Material in einen geregelten Transport- und Abbauprozess einbezogen. Die gewonnenen kleinen Bausteine können anschließend wieder für andere Aufgaben genutzt werden. Abbau und Erneuerung gehören damit zum normalen Betrieb einer Zelle. In Abwehrzellen spielt die Verarbeitung aufgenommener Partikel und Erreger eine besondere Rolle.

Lysosomen stehen mit dem endomembranären Transportsystem in Verbindung. Dafür müssen Enzyme, Membranbestandteile und abzubauendes Material jeweils an den richtigen Ort gelangen. Wenn ein bestimmter Abbauschritt ausfällt, kann sich sein Ausgangsstoff anreichern. Solche Zusammenhänge erklären das Grundprinzip lysosomaler Speicherkrankheiten: Material sammelt sich an, wenn der zugehörige Abbauweg unzureichend arbeitet. [1]

Peroxisomen: eigene Reaktionen im Lipidstoffwechsel

Peroxisomen sind ebenfalls membranumhüllte Organellen. Sie enthalten ein anderes Enzymrepertoire als Lysosomen und beteiligen sich unter anderem an speziellen Schritten des Lipidstoffwechsels. Bei manchen ihrer oxidativen Reaktionen entsteht Wasserstoffperoxid. Das Enzym Katalase kann dieses reaktive Molekül weiter umsetzen. Entstehung und Beseitigung sind im selben abgegrenzten Arbeitsbereich miteinander verbunden.

Die Bezeichnung Entgiftung beschreibt bei Organellen konkrete enzymatische Reaktionen. Für das Verständnis sind der jeweilige Stoff, das vorhandene Enzym und die entstehenden Produkte entscheidend. Peroxisomen arbeiten mit anderen Zellbereichen zusammen, die weitere Schritte des Stoffwechsels übernehmen. Die Betrachtung der einzelnen Reaktion erklärt, welchen Beitrag die Organelle im gesamten Stoffwechsel leistet. [1]

Das Zytoskelett: Wege, Form und mechanische Verbindung

Aktinfilamente, Intermediärfilamente und Mikrotubuli bilden unterschiedliche Teile eines inneren Proteingerüsts. Dieses Zytoskelett organisiert die Zellform und ihre mechanischen Verbindungen. Zugleich schafft es Wege für den gerichteten Transport von Material. Motorproteine können an geeigneten Filamenten Lasten bewegen.

Mikrotubuli sind auch Bestandteile beweglicher Flimmerhärchen. In den Atemwegen unterstützt deren abgestimmter Schlag den Transport von Schleim. Aktin ist für Formänderungen und zusammen mit Myosin für kontraktile Vorgänge wichtig. Intermediärfilamente tragen zur Belastbarkeit bei und können über bestimmte Zellkontakte Verbindungen zwischen benachbarten Zellen schaffen.

Organellen und Zytoskelett gehören deshalb zusammen: Der Transport vom Zellzentrum zur Oberfläche, die Lage einer Organelle und die Anpassung an mechanische Belastung benötigen räumliche Organisation. Aus dem Überblick einer Zelle wird so ein Verständnis ihrer inneren Zusammenarbeit. [1]