Zellkompartiment

Begriff und Abgrenzung

Zellkompartimente sind verschiedenartige Räume innerhalb einer Zelle. Sie ermöglichen es, dass unterschiedliche Prozesse räumlich getrennt stattfinden. Der Begriff „Kompartiment“ bezeichnet dabei jeweils die Summe aller gleichartigen Zellräume, nicht ein einzelnes Objekt: Eine Zelle kann viele Mitochondrien besitzen, aber nur ein mitochondriales Kompartiment. Im Unterschied dazu bezieht sich „Organell“ immer auf ein einzelnes Objekt, etwa ein Mitochondrium.

Auch das Cytoplasma ist ein Kompartiment, aber kein Organell. Kompartimente sind meist durch Biomembranen voneinander abgegrenzt. Es gibt jedoch auch Kompartimente ohne Biomembran, beispielsweise das heterochromatische und das euchromatische Kompartiment im Zellkern. Nach der von Eberhard Schnepf vorgeschlagenen Kompartimentierungsregel lassen sie sich der plasmatischen oder der nichtplasmatischen Phase zuordnen.

Beispiele für Kompartimente

Bei Eukaryoten, also Zellen mit Zellkern, bilden unter anderem folgende Bereiche Kompartimente:

• der Innenraum des Endoplasmatischen Retikulums als Bestandteil des Endomembransystems,
• das Karyoplasma beziehungsweise die Kernmatrix im Zellkern,
• die Matrix der Mitochondrien,
• das Stroma der Chloroplasten und anderer Plastiden bei Pflanzen und Grünalgen,
• Vakuolen sowie die Innenräume der Thylakoide,
• das Lytische Kompartiment als spezielle Form.

Auch Prokaryoten besitzen Kompartimente. Ein gut untersuchtes Beispiel ist der periplasmatische Raum der Proteobakterien zwischen Cytoplasmamembran und äußerer Membran; er enthält unter anderem die Zellwand. Das Zellinnere der Planctomyceten ist ebenfalls stark kompartimentiert, wobei die Funktionen der einzelnen abgegrenzten Räume bisher nicht im Detail bekannt sind. Bei Grünen Nichtschwefelbakterien kommen Chlorosomen vor. Diese enthalten die lichtabsorbierenden Pigmente der phototrophen Bakterien.

Bedeutung für Stoffwechsel und Spezialisierung

Die Gliederung der Zelle in Reaktionsräume wird Kompartimentierung genannt. Sie schafft auf engem Raum unterschiedliche Mikroumgebungen, in denen verschiedene Stoffwechselreaktionen gleichzeitig möglich sind. Biomembranen grenzen solche Räume ab. Durch ihre steuerbare Durchlässigkeit besitzen sie eine selektive Permeabilität: Sie lassen bestimmte Stoffe durch und halten andere zurück.

Dadurch können in verschiedenen Kompartimenten Prozesse ablaufen, die sich sonst gegenseitig oder den Chemismus der gesamten Zelle stören würden. Beispiele sind Entgiftungsprozesse und biochemische Reaktionen. Membranen ermöglichen außerdem Konzentrationsgradienten, also unterschiedliche Konzentrationen gelöster Stoffe auf beiden Seiten einer Membran. Dies betrifft zum Beispiel Ionen wie Kaliumionen oder Calciumionen. Proteine können solche Konzentrationsgefälle nutzen, um Stoffe zu synthetisieren oder andere Ionen im Austausch durch die Membran zu transportieren.

Kompartimentierung ermöglicht eine intrazelluläre Arbeitsteilung. Dadurch können Zellen sich stark differenzieren und ihre Leistungsfähigkeit steigern. Auf zellulärer Ebene gilt sie deshalb als evolutionäre Voraussetzung für komplexe, differenzierte Organismen. Außerdem beschleunigt sie Stoffwechselreaktionen: Werden Metabolitteilchen in kleineren Zellräumen konzentriert, verkürzen sich die Diffusionsstrecken. Dadurch steigt nach dem Fickschen Gesetz die Stoßwahrscheinlichkeit der Teilchen und damit der Reaktionsumsatz.