Cytologie

Archaeen

Was sind eigentlich Archaeen? In diesem Beitrag erfährst du alles über Aufbau, Stoffwechsel und Vorkommen der Archaeen. 

Für ein schnelleres Verständnis kannst du dir gerne unser anschauliches Video dazu anschauen. 

Inhaltsübersicht

Archaeen einfach erklärt 

Archaeen (Archaea)  – früher auch Archaebakterien oder Urbakterien genannt – bilden neben Bakterien  und Eukaryoten eine der drei Domänen zellulärer Lebewesen. Sie gehören gemeinsam mit den Bakterien zu den Prokaryoten , also einzelligen Lebewesen ohne Zellkern. Beide kannst du auch als Mikroorganismen oder Mikroben bezeichnen. 

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Archaeen

 

Archaeen können in verschiedenen Formen (z.B. rund oder stäbchenförmig) und verschiedenen Größen (0,4-100 µm (Mikrometer)) vorkommen.  Die durchschnittliche Größe einer Archaeenzelle beträgt 1 µm, weshalb sie circa 10-20 mal so klein sind wie eine typische eukaryotische Zelle. 

In manchen ihrer Eigenschaften ähneln Archaeen eher den Bakterien. Dazu kannst du beispielsweise das Fehlen eines Zellkerns oder membranumhüllter Organellen, die Art der Zellteilung oder auch die Zellgröße zählen. Archaeen besitzen allerdings keine Zellwand aus dem Peptidoglykan Murein wie die meisten Bakterien. 

In manchen Eigenschaften sind sie aber den Eukaryoten ähnlicher. Der Aufbau der RNA-Polymerasen – Enzyme, die zur Herstellung von Proteinen dienen – kommt  beispielsweise dem der Eukaryoten deutlich näher. 

Außerdem kannst du Archaeen zu den Extremophilen zählen. Das bedeutet, dass sie in der Lage sind extreme Lebensräume (z.B. hohe Salzkonzentration oder niedrige Sauerstoffkonzentration) zu besiedeln. Sie kommen auch oft in Böden vor. Die größte Zahl ist aber wahrscheinlich in den Tiefen des Ozeans anzutreffen. 

Definition

Archaeen (Archaea) sind kleine einzellige Mikroorganismen (Mikroben), die neben Bakterien und Eukaryoten eine der drei Domänen zellulärer Lebewesen bilden. Sie gehören neben den Bakterien zu den Prokaryoten, besitzen also keinen Zellkern.

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Stammbaum der drei Domänen zellulärer Lebewesen

Archaeen Aufbau

Ähnlich wie die Bakterien können Archaeen in diversen Formen (z.B.  als Kugeln und Stäbchen) vorkommen.  Die Zellgröße der Archaeen kann zwischen 0,4-100 µm (Mikrometer) variieren, wobei die durchschnittliche Archaeengröße circa 1 µm beträgt. 

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Aufbau Archaeenzelle

 

Eine Archaeenzelle ähnelt in ihrem groben Aufbau und der geringen Größe dem einer Bakterienzelle. So besitzen auch Archaeen keinen Zellkern, sondern stattdessen ein ringförmiges DNA-Molekül (Nucleoid), das frei im Zellplasma schwimmt. Außerdem kommen in Archaeen ebenso wie in Bakterien kleinere Ribosomen (70S) als in eukaryotischen Zellen (80S) vor. Ribosomen dienen zur Proteinherstellung in Zellen aller Lebewesen. Zudem besitzen Archaeen keine membranumhüllten Organellen wie die Mitochondrien oder die Chloroplasten

Zur Fortbewegung besitzen sie oft genauso wie Bakterien dünne, filamentartige Proteinfäden außerhalb der Zellwand. Diese kannst du als Flagellen bezeichnen. Zusätzlich sind häufig kleinere fadenförmige Anhänge, die sogenannten Pili  an der Zellwand angebracht. Sie dienen zur Anheftung an festen Oberflächen oder zur Zell-Zell-Kommunikation.

Zellwand

Die meisten Archaeen besitzen wie die Bakterien eine Zellwand zum Schutz vor Umwelteinflüssen oder feindlichen Organismen. Allerdings ist diese nicht aus dem Peptidoglykan Murein aufgebaut. Das stellt einen der Hauptunterschiede zwischen diesen beiden Domänen dar. Manche Archaeenarten besitzen allerdings eine Zellwandstruktur, die Murein funktionell ähnlich ist. Deswegen kannst du sie auch als Pseudomurein bezeichnen. 

Plasmamembran

Ein weiterer Unterschied zwischen Archaeen, Bakterien und Eukaryoten stellt die charakteristische Lipidzusammensetzung in den Plasmamembranen der Archaeen dar. Bakterien und Eukaryoten besitzen eine Doppelschicht aus Phospholipiden , bei der Fettsäuren über Esterbindungen verknüpft vorliegen. Bei den Archaeen dagegen sind langkettige, verzweigte Kohlenwasserstoffmoleküle über Etherbindungen mit Glycerin verbunden.

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Aufbau der Plasmamembran im Vergleich zwischen Archaeen (links) und Eukaryoten und Bakterien (rechts)

Bei manchen Archaeengruppen sind sogar beide Enden dieser Kohlenwasserstoffketten mit Glycerin verknüpft, was zur Ausbildung einer Einzelschicht (Monolayer) führt. Diese spezielle Struktur ist einzigartig und in keiner anderen Domäne zu finden. Plasmamembranen dienen als Stoffbarriere, die kontrolliert, welche Stoffe in die Zelle passieren dürfen und welche nicht. 

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Aufbau einer Monolayer-Membran

Archaeen Vorkommen und Stoffwechsel

Archaeen werden zu den Extremophilen gezählt. Das bedeutet, dass sie an für uns ungewöhnlichen Orten mit extremen Bedingungen zu finden sind. Je nach bevorzugtem Lebensraum kannst du sie in verschiedene Gruppen einteilen. Hyperthermophile Arten sind extremen Temperaturen (z.B. über 80 Grad) ausgesetzt und kommen unter anderem in vulkanischen Gebieten oder Geysiren vor. Orte mit hohen Salzkonzentrationen wie das Tote Meer werden von halophilen Mikroben besiedelt.  Sogenannte Acidophile und Alkaliphile sind bei sehr sauren (pH-Werten von 0 )bzw. basischen Bedingungen (pH-Werten von 10) zum Beispiel in Schlammlöchern zu finden.

Archaeen kommen in der Regel nicht isoliert vor, sondern bilden Lebensgemeinschaften wie in Biofilmen. In diesen können auch mikroskopisch kleine Eukaryoten dazugehören. 

Archaeen zeichnen sich durch eine enorme Stoffwechselvielfalt aus. Die meisten Arten sind autotroph. Darunter kannst du verstehen, dass sie ihre Baustoffe wie zum Beispiel Zucker ausschließlich aus anorganischen Stoffen herstellen. Manche Arten sind aber auch heterotroph. Außerdem sind viele dieser Mikroben Anaerobier. Das bedeutet, dass sie ohne Sauerstoff Energie gewinnen können. 

Eine besondere Art der Energiegewinnung, die nur in Archaeen praktiziert wird, ist die so sogenannte Methanogenese. Darunter kannst du verstehen, dass Kohlenstoffdioxid (CO_2) zu Methan (CH_4) reduziert wird. Die Archaeen, die dies praktizieren, werden als Methanogene bezeichnet und setzen pro Jahr ungefähr zwei Milliarden Tonnen Methangas in unsere Erdatmosphäre frei. Sie leben in Sümpfen oder Faulschlamm. In vielen pflanzenfressenden Wiederkäuern wie den Rindern sind sie im Magen (Pansen) oder auch beim Menschen und anderen Tieren im Darm zu finden.  Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Cellulose Verdauung. 

Bedeutung und Nutzen für den Menschen

Bisher wurden im Gegensatz zu Bakterien keine pathogenen, also krankheitserregenden Arten innerhalb der Archaeen entdeckt. Allerdings fördern manche Arten teilweise das Wachstum pathogener Bakterien, was beispielsweise bei entzündetem Zahnfleisch nachgewiesen wurde. Du kannst Archaeen unter anderem im menschlichen Darm oder im Mund in der Zahnflora vorfinden. 

Diese Mikroben finden aufgrund ihrer besonderen Stoffwechselvielfalt häufig Anwendung in der Biotechnologie oder Medizin. So sind Methanogene beispielsweise an der Bio-Gas-Gewinnung beteiligt. Außerdem unterstützen andere Arten die Gewinnung von Kupfer und Zink bei der sogenannten mikrobiellen Erzlaugung. In der Medizin werden manche ihrer Zellbestandteile zudem als Träger von Impfstoffen verwendet.  Zusätzlich sind Archaeen aufgrund ihrer resistenten Eigenschaften wichtig für die Grundlagenforschung. 

Unterschied Bakterien Archaeen

Die wichtigsten Unterschiede zwischen Archaeen und Bakterien liegen im Aufbau der Zellwand und der Plasmamembran. Die Bakterienzellwand ist aus dem Peptidoglykan Murein aufgebaut, die Archaeenzellwand dagegen nicht. Bakterien besitzen eine Zellmembran in Form einer Doppelschicht aus Phospholipiden. Anstatt Fettsäuren über Esterbindungen sind bei den Archaeen langkettige, verzweigte Kohlenwasserstoffmoleküle über Etherbindungen mit Glycerin verbunden. Auch sogenannte Monolayer sind bei Archaeen möglich. 

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