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4.3: Die eukaryotische Kompartimentierung
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Eukaryotic Compartmentalization
 
PROTOKOLLE

4.3: Eukaryotic Compartmentalization

4.3: Die eukaryotische Kompartimentierung

One of the distinguishing features of eukaryotic cells is that they contain membrane-bound organelles—such as the nucleus and mitochondria—that carry out particular functions. Since biological membranes are only permeable to a small number of substances, the membrane around an organelle creates a compartment with controlled conditions inside. These microenvironments are often distinct from the environment of the surrounding cytosol and are tailored to the specific functions of the organelle.

For example, lysosomes—organelles in animal cells that digest molecules and cellular debris—maintain an environment that is more acidic than the surrounding cytosol, because its enzymes require a lower pH to catalyze reactions. Similarly, pH is regulated within mitochondria, which helps them carry out their function of producing energy.

Additionally, some proteins require an oxidative environment for proper folding and processing, but the cytosol is generally reductive. Therefore, these proteins are produced by ribosomes in the endoplasmic reticulum (ER), which maintains the necessary environment. Proteins are often then transported within the cell through membrane-bound vesicles.

The genetic material of eukaryotic cells is compartmentalized within the nucleus, which is surrounded by a double membrane called the nuclear envelope. Small pores in the envelope control which molecules or ions can enter or leave the nucleus. For instance, messenger RNA (mRNA) exits the nucleus through these pores to take the genetic instructions encoded in the DNA to the ribosomes, where they can be translated into protein.

Organelles can also protect a cell by containing and neutralizing dangerous substances. For example, peroxisomes carry out oxidation reactions that produce hydrogen peroxide—which is toxic to cells—but they also contain enzymes that convert it into harmless oxygen and water. Therefore, compartmentalization allows eukaryotic cells to carry out a variety of different functions that would otherwise be incompatible in terms of their required environments or by-products produced.

Eukaryontische Zellen zeichnen sich unter anderem besonders dadurch aus, dass sie membrangebundene Organellen wie z.B. den Kern und die Mitochondrien enthalten. Diese Organellen erfüllen bestimmte Funktionen. Da biologische Membranen nur für wenige Stoffe durchlässig sind, schafft die Membran um ein Organell ein Kompartiment mit kontrollierten Bedingungen im Inneren. Diese Mikroumgebungen unterscheiden sich oft von der Umgebung des umgebenden Zytosols und sind auf die spezifischen Funktionen der Organelle zugeschnitten.

Lysosomen sind hier ein passendes Beispiel. Es handelt sich um Organellen in tierischen Zellen, die Moleküle und Zellabfälle verdauen. Sie müssen eine Umgebung aufrechterhalten, die saurer ist als das umgebende Zytosol. Ihre Enzyme benötigen nämlich einen niedrigeren pH-Wert, um Reaktionen zu katalysieren. In ähnlicher Weise wird der pH-Wert auch in den Mitochondrien reguliert. Das hilft ihnen dabei, ihre Funktion der Energieproduktion erfüllen zu können.

Zusätzlich benötigen einige Proteine eine oxidative Umgebung für die korrekte Faltung und Verarbeitung. Das Zytosol ist jedoch im Allgemeinen reduktiv. Daher werden diese Proteine von Ribosomen im Endoplasmatischen Retikulum (ER) produziert, das die notwendige Umgebung aufrechterhält. Die Proteine werden dann oft innerhalb der Zelle durch membrangebundene Vesikel transportiert.

Das genetische Material von eukaryontischen Zellen ist noch einmal innerhalb des Zellkerns unterteilt. Dieser ist von einer Doppelmembran, der so genannten Kernhülle umgeben. Kleine Poren in der Hülle steuern, welche Moleküle oder Ionen in den Kern ein- oder aus austreten können. Durch diese Poren verlässt zum Beispiel die Boten-RNA (mRNA) den Kern, um die in der DNA kodierten genetischen Anweisungen zu den Ribosomen zu bringen, wo sie in Proteine übersetzt werden können.

Organellen können eine Zelle auch schützen, indem sie gefährliche Substanzen aufnehmen und neutralisieren. Zum Beispiel führen Peroxisomen Oxidationsreaktionen durch, die Wasserstoffperoxid produzieren, das für Zellen giftig ist. Sie enthalten aber auch Enzyme, die es in unschädlichen Sauerstoff und Wasser umwandeln. Durch die Kompartimentierung können die eukaryontischen Zellen also eine Vielzahl von Funktionen ausüben, die sonst in Bezug auf die benötigten Umgebungen oder die entstehenden Nebenprodukte nicht miteinander vereinbar wären.


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