Cytologie

Bakterienzelle

Was sind Bakterien und wo kommen sie überall vor? In diesem Beitrag erfährst du alles zu  Aufbau, Stoffwechsel und Vorkommen von Bakterienzellen. 

Schau dir gerne unser dazugehöriges Video an, um das Thema anschaulich in Kurzform zu verstehen. 

Inhaltsübersicht

Bakterienzelle einfach erklärt

Bakterien sind kleine, einzellige Mikroorganismen, die neben den Archaeen  zu den Prokaryoten gehören. Darunter kannst du Lebewesen verstehen, die im Gegensatz zu den Eukaryoten keinen Zellkern besitzen. Stattdessen „schwimmt“ ihre meist ringförmige Erbinformation (DNA) quasi frei im Zellplasma herum.

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Einteilung Zellulärer Lebewesen in Eukaryoten und Prokaryoten

 

Bakterienzellen weisen unterschiedliche Größen und Formen auf. Der Aufbau von Bakterien kann entweder kugelförmig (Kokken) oder stäbchenförmig (Bazillen) aussehen. Obwohl es sich um einzellige Lebewesen handelt, treten sie oft in Kolonien mit vielen anderen Mikroorganismen auf. Die Größe einer Bakterienzelle kann zwischen 0,2 und 700  µm (Mikrometer) variieren. Außerdem vermehren sich Bakterienzellen im Allgemeinen ungeschlechtlich, indem durch Zweiteilung zwei identische Tochterzellen (Klone) entstehen. 

Bakterien sind im Gegensatz zu Eukaryoten in der Lage verschiedene Energiequellen zu nutzen und extreme Lebensräume zu besiedeln. 

Definition

Eine Bakterienzelle  ist eine Protozyte (=Zellen der Prokaryoten), was bedeutet, dass sie keinen Zellkern besitzt. Stattdessen besitzen Bakterienzellen ein meist ringförmiges Nucleoid. Bakterienzellen sind in der Regel viel kleiner als eukaryotische Zellen. 

Bakterien Aufbau

Der grundsätzliche Aufbau von Bakterien und Bakterienzellen unterscheidet sich teilweise sehr deutlich von Eukaryoten und ihren jeweiligen Zellen. Die Unterschiede, aber auch Gemeinsamkeiten zu den Eukaryoten erfährst du im Folgenden: 

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Aufbau einer typischen Bakterienzelle

Gestalt und Größe

Die Größe einer Bakterienzelle kann zwischen 0,2 und 700  µm (Mikrometer) variieren. Allerdings liegt die durchschnittliche Größe der Bakterienzelle zwischen 1 und 10 µm. Zum Vergleich dazu: Die meisten eukaryotischen Zellen haben eine Größe von 10 bis 30 µm und weisen meist ein viel größeres (bis zu 10.000-faches) Volumen auf. 

Drei Formen findest du bei den Bakterienzellen häufig: kugelförmige, stäbchenförmige oder geschraubte. Kugelförmige Bakterien kannst du auch als Kokken bezeichnen. Sie kommen sowohl einzeln, als auch in Zellaggregaten z.B. in Ketten oder Platten vor. Bakterien mit einem stäbchenförmigen Aufbau kannst du Bazillen nennen. Auch sie können einzeln vorkommen oder Ketten bilden. Die dritte Form stellen die Spirillen dar. Wie der Name bereits bekannt gibt, handelt es sich hierbei um spiralförmige, korkenzieherähnliche Bakterien. Auch sie kannst du einzeln oder in Aggregaten vorfinden. 

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Typische Bakterienformen

Zellbestandteile

Der Aufbau eines typischen Bakteriums wie dem Darmbakterium E. Coli (Escherichia Coli)%Verweis auf E.Coli?sieht folgendermaßen aus.

Zellwand

Bakterien sind von einer Zellwand umgeben. Die Zellwände von Bakterienzellen unterschieden sich allerdings grundlegend von Zellwänden in Pflanzen oder Pilzen. 

Die Zellwände fast aller Bakterienzellen enthalten Murein. Darunter kannst du ein dir ein quervernetztes Polymer aus Zuckern und Aminosäuren (Peptiden )vorstellen (= Peptidoglycan). Dieses Netzwerk bietet  Schutz vor Umwelteinflüssen oder Angreifern (z.B. Bakteriophagen) und sorgt für Stabilität. Je nach Aufbau der Zellwand kannst du zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien unterschieden. Die Mureinschicht grampositiver Bakterien ist sehr groß und besteht aus bis zu 25 Schichten. Durch die sogenannte Gramfärbung, kann die Zellwand violett angefärbt werden. Das kannst du dir so vorstellen, dass sich ein spezieller Farbstoffkomplex in der Zellwand lagert und nicht durch eine Alkoholbehandlung ausgewaschen werden kann. Die Zellwand gramnegativer Bakterien besteht aus einer dünnen Mureinschicht und einer zusätzlichen Außenmembran. Hier kann sich der Farbstoff nicht in die Wand anlagern und wird durch Alkohol ausgewaschen.  

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Zellwand grampositver und gramnegativer Bakterien

Glykokalyx

Als zusätzlicher Schutz vor Austrocknung und feindlichen Bakterien dient in vielen Bakterienzellen die Glykokalyx. Sie wird je nach Aufbau auch als Kapsel oder Schleimhülle bezeichnet und umgibt die Zellwand. Darunter kannst du dir einen umhüllenden Film aus Polysacchariden (Kohlenhydraten) vorstellen.

Zellmembran

Analog zu eukaryotischen Zellen besitzen Bakterienzellen eine Zellmembran aus Phospholipiden . Diese sind in einer Doppelschicht angeordnet und  Membranproteine können eingelagert werden. Die Zellmembran dient als Stoffbarriere und befindet sich unter der Zellwand.

Zusätzlich sind an manchen Stellen der Zellmembran Einstülpungen vorhanden. Diese kannst du als  Mesosomen bezeichnen. 

Zellorganellen

Bakterienzellen besitzen keine membranumhüllten Organellen wie den Golgi Apparat oder das Endoplasmatische Retikulum . Selten sind aber sogenannte intrazelluläre Membranen (z.B. bei den Phycobilisomen) zu finden. Sie umgeben bestimmte Enzymsysteme, die für die Photosynthese oder andere Stoffwechselwege zuständig sind. 

Zellplasma

Das Zellplasma oder Cytoplasma in Bakterienzellen setzt sich aus einer flüssigen zu 80% aus Wasser bestehenden Komponente, dem Cytosol, und kleinen unlöslichen Partikeln wie den Ribosomen zusammen.  

Ribosomen

Ribosomen sind kleine, ovale Teilchen, die aus Proteinen und der rRNA (Ribonukleinsäure) aufgebaut sind. Hier findet die Translation statt. Darunter kannst du das Ablesen von genetischen Informationen zur Herstellung von Proteinen verstehen. Bakterielle Ribosomen (70S) sind kleiner als Ribosomen eukaryotischer Zellen (80S). 

DNA

Wie du bereits gelernt hast, enthalten Bakterien keinen Zellkern. Stattdessen besitzen sie ein Kernäquivalent, das du auch als Nukleoid oder Bakterienchromosom bezeichnen kannst. Darunter kannst du dir ein meist ringförmiges DNA-Molekül vorstellen, das frei im Zellplasma schwimmt. Hier findet die Transkription und Translation der Gene statt. Zusätzlich können in Bakterienzellen noch genetische Informationen in ringförmigen Plasmiden vorkommen. Diese können unter Bakterienzellen ausgetauscht werden und somit eine Weitergabe genetischer Informationen veranlassen.

Flagellum

Zur Fortbewegung  besitzen Bakterienzellen dünne, filamentartige Proteinfäden außerhalb der Zellwand – die Flagellen. Ein komplexer, in der Zellwand verankerter Motor sorgt unter ATP-Verbrauch für eine Rotation des Flagellums. Das kannst du dir wie bei einem Propeller vorstellen. Die Bewegung findet als eine Reaktion auf äußere Reize wie zum Beispiel Licht statt. In einigen Eukaryotenzellen (z.B. Spermien) findest du übrigens analoge Strukturen (Geißeln) zur Fortbewegung. Sie unterscheiden sich aber stark in ihrem Aufbau zu den Flagellen der Bakterien.

Pili 

Unter Pili (lat. pilus = das Haar) oder Fimbrien kannst du dir fadenförmige Proteinanhänge vorstellen, die zur Anheftung an festen Oberflächen oder anderen Zellen dienen. Der sogenannte F- oder Sexpillus dient zur Zell-Zell-Kommunikation und hilft beim Austausch von genetischem Material zwischen zwei Bakterienzellen. 

Granula und Vesikel

Als Kohlenstoff- und Energiequelle dienen in Bakterienzellen Speicherstoffe in Form von Kohlenhydraten, Fetten, Phosphaten oder auch Schwefel. Sie werden in den sogenannten Granula eingeschlossen. Du kannst sie dir als rundliche Körner im Zellplasma vorstellen, wo sie als Speicherdepot dienen. 

Zusätzlich kannst du in Bakterienzellen Vesikel finden. Darunter kannst du dir kleine flüssigkeitsgefüllte Bläschen vorstellen, deren Aufgabe darin besteht, Stoffe aus den Zellen zu schleusen. 

Bakterien Vermehrung

Bakterien vermehren sich durch eine Zweiteilung ihrer Zellen, bei der zwei identische Tochterzellen entstehen. Es handelt sie hierbei um eine asexuelle Vermehrung. Unter idealen Bedingungen, also z.B. unter kontinuierlicher Nahrungszufuhr, weisen Bakterienzellen ein sogenanntes exponentielles Wachstum auf. 

Bakterien haben auch die Möglichkeit zur Rekombination. Darunter kannst du verstehen, dass das Genom einer Zelle mit einem anderen DNA-Ausschnitt einer anderen Zelle kombiniert wird. So können unter anderem bestimmte Resistenzgene z.B. gegen Antibiotika weitergegeben werden. 

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Beschriftung: Vermehrung einer Bakterienzelle durch Zellteilung

Bakterien Lebensweise und Vorkommen

Wo kommen Bakterien eigentlich vor? Die Antwort darauf lautet: fast überall. Bakterien sind im Gegensatz zu Eukaryoten an extreme Bedingungen (z.B. extreme Hitze oder Kälte, hohe Salzkonzentration) angepasst. Jede einzelne Bakterienart akzeptiert allerdings nur einen abgrenzenden Bereich (Optimum) in dem sie überleben und sich vermehren kann.

Zusätzlich sind Bakterienzellen in der Lage eine Vielzahl an Stoffwechselwegen zu praktizieren. Manche Bakterien gewinnen ohne Sauerstoff Energie (=Anaerobier), manche mit (Aerobier). Andere können zwischen beiden Formen wechseln. 

Auch hinsichtlich ihrer Ernährungsformen sind Bakterien um einiges vielfältiger als wir Menschen. Es gibt beispielsweise phototrophe Bakterien, die Photosynthese betreiben und dadurch Licht als Energiequelle nutzen. Ein Beispiel stellen hier die Cyanobakterien oder auch Blaualgen dar. Außerdem sind sogenannte chemoautotrophe Bakterien in der Lage ihre Stoffwechselenergie aus anorganischen Substanzen z.B. wie Ammoniak (NH_3), Schwefelwasserstoff (H_2S) oder Metallionen zu beziehen. Hierzu gehören unter anderem die Stickstoff-Fixierer, die molekularen Stickstoff (N_2) für andere Organismen verfügbar machen. Sie kommen häufig in Symbiose mit Pflanzen vor.  

Bakterien Bedeutung

Wahrscheinlich verbindest du Bakterien eher mit Krankheiten. Dabei sind nicht alle Bakterien Krankheitserreger und es gibt viele nützliche Bakterien.

Auf uns Menschen leben übrigens in etwa 10 mal so viele Bakterien als wir Zellen besitzen – eine unglaublich große Zahl. 99% aller Mikroorganismen in unserem Körper leben allerdings im Verdauungstrakt, besonders im Dickdarm und bilden dort die Darmflora. Diese unterstützt unsere Verdauungsprozesse. 

Auch in der Biotechnik und Medizin macht man sich die besonderen Eigenschaften von Bakterien zu Nutze. In der sogenannten „Weißen Biotechnologie“ werden mithilfe von Bakterien beispielsweise Nahrungsmittel oder Chemikalien wie Aceton, Essigsäure oder Milchsäure produziert. Außerdem ist es möglich durch Bakterien Medikamente wie Insulin oder Antibiotika herzustellen. 

Endosymbiontentheorie

Anhand genetischer Untersuchungen geht man davon aus, dass alle drei Domänen (Bakterien, Archaeen und Eukaryoten) einen gleichen Vorfahren besitzen. Außerdem sprechen biochemische Befunde dafür, dass bestimmte Organellen in eukaryotischen Zellen – die Mitochondrien und Chloroplasten – ursprünglich eigenständige Bakterien waren. Laut der Endosymbiontentheorie wurde das Bakterium durch Phagozytose  aufgenommen und nicht verdaut. Für diese Theorie spricht unter anderem die doppelte Membranhülle dieser Organellen.

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Endosymbiontentheorie

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