Die 3 wesentlichen Merkmale aller Eukaryoten und ihre Bedeutung

Bei eukaryotischen Zellen ist die Erbinformation in einen Zellkern eingebettet, bei Prokaryonten nicht

Die Entstehung und drei essenzielle Eigenschaften von Eukaryoten

Über eine lange Zeit, etwa zwei Milliarden Jahre, war das Leben auf der Erde prokaryotischen Ursprungs. Doch vor ca. 1,5 Milliarden Jahren entwickelten sich die ersten eukaryotischen Zellen. Somit war das rein prokaryotische Leben von vor 3,5 Milliarden Jahren nicht abgelöst, sondern nur durch eine weitere Zellform ergänzt worden.

Damit dieser Evolutionsschritt vollführt werden konnte, war die Kompartimentierung der einzelnen Zelle notwendig. Dies ist auch heutzutage noch ein essenzieller Unterschied zwischen Pro- und Eukaryoten. Durch die Unterteilung der Zelle in viele verschiedene Reaktionsräume kann eine Vielzahl an Reaktionen zur gleichen Zeit stattfinden, was einen effizienteren Stoffwechsel zur Folge hat.

Prokaryoten haben zwar einen ähnlich effizienten Stoffwechsel, der allerdings äußerst spezialisiert ist, wodurch die Menge an verwertbaren Nährstoffen stark begrenzt ist. Auch weitere Funktionen sind durch die fehlende Kompartimentierung stark eingeschränkt, wodurch einerseits eine hohe Teilungsrate ermöglicht wird, andererseits die Zellgröße stark beschränkt ist und keine Vielzelligkeit auftritt. Wie die Kompartimentierung und andere wichtige Eigenschaften von Eukaryoten entstanden sind, lässt sich anhand verschiedener Merkmale der einzelnen Kompartimente erklären.

3 wichtige Eigenschaften von Eukaryoten

1. Innere Membranen und die Kernhülle

Einige Arten von Bakterien weisen innere Membranen auf. Oftmals erscheinen diese inneren Membranen als Einstülpung innerhalb der Zelle. Überträgt man diese Beobachtung auf einzelne Zellkompartimente von Eukaryoten, wie z.B. den Zellkern inkl. seiner Kernhülle, so liegt die Vermutung nahe, dass diese inneren Membranen einen Einzug in die eukaryotischen Zellen gefunden haben.

Das Endomembransystem (Gesamtheit der inneren Membranen) inklusive des Zellkerns kann somit durch einen ähnlichen Prozess entstanden sein, wie es bei den prokaryotischen Zellen der Fall ist. Insbesondere das dem Zellkern nah anliegende endoplasmatische Retikulum könnte als Beweis dieser Theorie angesehen werden.

Wäre ein Bakterium in membranumhüllte Kompartimente unterteilt, könnte dies zu deutlich effizienteren biochemischen Prozessen ablaufen. Ein Beispiel hierfür sind pH-abhängige Reaktionen, die unterschiedliche pH-Werte benötigen, um optimal ablaufen zu können. Diese könnten beispielsweise in unterschiedlichen Kompartimenten ablaufen, die einen anderen pH-Wert aufweisen als der Rest der Zelle.

Ebenfalls ließen sich die Transkription und die Translation verschiedener Gene voneinander trennen, wodurch eine erhöhte Kontrolle der Genexpression entstehen würde. All diese Vorteile bietet die Kompartimentierung der eukaryotischen Zelle im Vergleich zur prokaryotischen Zelle.

2. Einzelne Organellen

Im Vergleich zu den Prokaryoten weisen die Eukaryoten eine starke Kompartimentierung auf. Somit haben sie einen effizienteren Stoffwechsel und eine erhöhte Kontrolle bei der Genexpression. Wenngleich viele Bakterien eine Zellwand besitzen, existiert diese im eukaryotischen Reich nur bei Pilzen und Pflanzen. Dennoch unterscheidet sich der Aufbau zwischen bakteriellen und eukaryotischen Zellwänden.

Selbst bei Pilzen und Pflanzen lassen sich Unterschiede im Aufbau der Zellwand finden. Weiterhin lassen sich den verschiedenen Zellorganellen von Eukaryoten verschiedene Funktionen zuordnen.

Die Mitochondrien sind hauptsächlich am Energiestoffwechsel der Zelle beteiligt. Hier finden verschiedene biochemische Reaktionen statt, nach deren Beendigung der Zelle Energie in Form von ATP zugeführt wird. Diese Energie wird teilweise in anderen Reaktionen im Mitochondrium verwendet, aber auch anderen Organellen zur Verfügung gestellt.

Neben den Mitochondrien besitzen eukaryotische Zellen auch ein komplexeres Cytoskelett als es bei prokaryotischen Zellen existiert. Dieses Cytoskelett besteht aus unterschiedlichen Proteinfilamenten und sorgt einerseits dafür, dass die Zelle gestützt wird, andererseits wird durch das Cytoskelett auch die Trennung der Zellorganellen aufrechterhalten.

Ein wichtiges Unterscheidungskriterium von Eukaryoten und Prokaryoten ist die Existenz eines echten Zellkerns. Dieser stellt bei den Eukaryoten ebenfalls eine Zellorganelle dar. Hierin befindet sich der größte Teil der DNA, die mit verschiedenen Proteinen das gesamte Chromatin bildet.

In der direkten Nähe des Zellkerns befindet sich das endoplasmatische Retikulum, an dem nahezu die gesamte Proteinbiosynthese stattfindet. Das endoplasmatische Retikulum (ER) lässt sich darüber hinaus noch in das glatte und das raue ER unterteilen. Am rauen ER existieren viele Ribosomen, die maßgeblich an der Proteinsynthese beteiligt sind, während diese am glatten ER fehlen. Das glatte ER hingegen sorgt für eine chemische Veränderung von Proteinen und anderen Molekülen.

Ein weiteres Organell ist der sog. Golgi-Apparat. Dieser verarbeitet Proteine weiter, die vom ER synthetisiert wurden. Aber auch andere Moleküle wie z.B. Lipide können vom Golgi-Apparat, der wiederum aus Dictyosomen besteht, verarbeitet werden.

Ebenso sind Peroxisomen wichtige Zellorganellen von Eukaryoten. In Peroxisomen finden chemische Reaktionen statt, die für die Zelle giftige Peroxide abbauen. Ein solches Peroxid, das extrem zellschädigend ist, ist Wasserstoffperoxid. Dieses wird in den Peroxisomen zu Wasser und Sauerstoff umgewandelt.

Auch Pflanzen gehören zu den Eukaryoten und weisen Organellen auf, die sich in tierischen Zellen nicht finden lassen. Hierzu zählen beispielsweise die Chloroplasten. In den Chloroplasten findet die lichtabhängige Reaktion der Photosynthese statt. Während der Photosynthese wird die Energie des Lichts in chemischer Energie in Form von Zucker gespeichert.

Auch die Vakuole ist ein prokaryotisches Organell, das sich zwar bei einigen einzelligen Eukaryoten finden lässt, aber auch vermehrt bei Pflanzen. In der Vakuole werden Wasser und andere Stoffe gespeichert, um den osmotischen Druck im Gleichgewicht halten zu können.

Damit die Pflanzenzelle nicht platzt, wenn die Vakuole mit Wasser geflutet wird und sich ausdehnt, besitzt sie eine Zellwand. Die Zellwand ist zwar ein essenzielles Merkmal einer Pflanzenzelle, kann jedoch nicht als echtes Zellorganell angesehen werden.

3. Der prokaryotische Ursprung verschiedener Organellen

Die Herkunft vieler eukaryotischer Zellorganellen wie z.B. Mitochondrien oder Plastiden von Pflanzen lässt sich im Vergleich zur Entstehung der Kernhülle nicht durch die Einstülpung innerer Membranen erklären. Auch genetische Untersuchungen dieser Organellen weisen darauf hin, dass diese im Laufe der Evolution in die eukaryotische Zelle importiert wurden und dass ihr Ursprung in prokaryotischen Zellen liegen muss.

Diese Theorie wird auch als Endosymbiontentheorie bezeichnet. Das Wort Symbiose, das der Endosymbiontentheorie zugrunde liegt, bedeutet „Zusammenleben“. Im ökologischen Sinne bezeichnet eine Symbiose die Koexistenz zweier Organismen, wobei jeder Organismus dem anderen etwas zur Verfügung stellt, ohne dass ein Organismus ausgebeutet wird.

Die Plastiden und Mitochondrien wurden nach der Endosymbiontentheorie in die Mutterzelle aufgenommen, ohne dass diese verdaut wurden. Infolgedessen entwickelte sich eine Symbiose zwischen der Mutterzelle und den aufgenommenen, ursprünglich prokaryotischen Plastiden und Mitochondrien. Ebenfalls verloren die aufgenommenen Organellen einen Teil ihrer Autonomie und haben einen Teil ihres Erbguts an die Mutterzelle übertragen.

Anhand des Plastiden lässt sich diese Theorie gut erklären. Vor ca. 2,5 Milliarden Jahren entwickelten die ersten Prokaryoten die Photosynthese. Diese Prokaryoten leben auch heute noch und werden als Cyanobakterien bezeichnet. Durch die auftretende Photosynthese und dem dabei freiwerdenden Sauerstoff wurde ein Großteil der heute bekannten Atmosphäre gebildet.

Nach der Endosymbiontentheorie sind die Cyanobakterien die Vorläuferzellen der heutigen Plastiden gewesen. Große Zellen, die keine Zellwand aufweisen, wie es beispielsweise bei den Phagocyten des menschlichen Immunsystems der Fall ist, können ganze Bakterienzellen aufnehmen (phagocytieren). Somit könnte auch die Aufnahme der Cyanobakterien durch solch eine Phagocytose entstanden sein.

An dieser Phagocytose war sehr wahrscheinlich eine eukaryotische Zelle und ein Cyanobakterium beteiligt. Einen Beweis dieser Theorie ist japanischen Wissenschaftlern gelungen, die einen einzelligen Eukaryoten dabei beobachteten, wie er eine einzellige Grünalge phagocytierte. Dieser Eukaryot wird als Hatena bezeichnet. Die aufgenommene Grünalge heißt Nephroselmis. Beide Zellen können getrennt voneinander leben.

Auch die Grünalge besitzt sämtliche Strukturen, die für einzellige Eukaryoten charakteristisch sind. Sie besitzt beispielsweise einen Plastiden, Geißeln, ein Cytoskelett, ein endoplasmatisches Retikulum, einen Golgi-Apparat und Mitochondrien. Nach der Phagocytose durch Hatena verliert die Grünalge jedoch all diese Strukturen und fungiert nur noch als Plastid.

Teilt sich Hatena nach der Phagocytose von Nephroselmis, so verbleibt der Plastid in der Mutterzelle, während die entstandene Tochterzelle ohne Plastiden hervorgeht. Die Tochterzelle muss folglich im Laufe ihres Lebens einen eigenen Plastiden aufnehmen.

Fazit

• Eukaryoten existieren seit ca. 1,5 Milliarden Jahren
• Eukaryoten weisen eine Kompartimentierung auf, die den Prokaryoten fehlt
• Eukaryoten besitzen einen Zellkern, der den Prokaryoten fehlt
• Einzelne Organellen ermöglichen es den Eukaryoten, einen effizienteren Stoffwechsel zu vollführen
• Der Ursprung einiger Organellen von Eukaryoten liegt vermutlich in prokaryotischen Zellen

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