Cytologie

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Zellaufbau

Prokaryoten

Was sind Prokaryoten, wie ist eine prokaryotische Zelle aufbaut und wie funktioniert ihr Stoffwechsel und ihre Vermehrung?  All das erfährst du in diesem Beitrag. 

Du willst das Thema noch schneller verstehen? Dann schau dir gerne unser anschauliches Video dazu an. 

Inhaltsübersicht

Prokaryoten einfach erklärt

Prokaryoten (Prokaryota) sind kleine einzellige Mikroorganismen, die im Gegensatz zu den Eukaryoten keinen Zellkern besitzen. Ihren Zelltyp kannst du als Protocyte bezeichnen. Zu den Prokaryoten zählen die zwei Domänen Bakterien  und Archaeen .

Prokaryotische Zellen sind meist nur wenige Mikrometer (1-2 µm) groß und damit im Durchschnitt 10-100 mal kleiner als eukaryotische Zellen. Häufig kommen sie in Form von kugelförmigen Kokken und stäbchenförmigen Bazillen vor. Sie besitzen eine hohe biologische Anpassungsfähigkeit.

Prokaryoten sind die erfolgreichsten Lebewesen auf der Erde – wenn man von ihrer Individuenzahl ausgeht. In den Meeren soll diese bereits mehr als 3·1028 betragen. Das sind ungefähr 100 Millionen Mal mehr als es Sterne in unserem Universum gibt. Allein die Zahl an Bakterien in unserem Verdauungstrakt ist größer als alle Menschen, die jemals gelebt haben. Echt beeindruckend oder? 

Statt dem Zellkern „schwimmt“ ein meist ringförmiges in sich geschlossenes DNA-Molekül frei im Zellplasma. Das kannst du auch als Nucleoid (Kernäquivalent) bezeichnen. Außerdem fehlen Prokaryoten membranumhüllte cytoplasmatische Organellen wie Mitochondrien oder Chloroplasten . Auch ein Zellskelett oder Cytoskelett kannst du in prokaryotischen Zellen nicht finden. 

Prokaryoten sind außerdem in der Lage eine Vielzahl an Energiequellen zu nutzen und extreme Lebensräume (z.B. Vulkangebiete, Totes Meer) zu besiedeln. Im Verdauungstrakt vieler Tiere und Menschen (z.B. Darmflora) sind diese Mikroorganismen an der Verdauung von Nahrung beteiligt. Es wird übrigens vermutet, dass bisher nur etwa 1% aller Arten bekannt sind. 

Definition

Prokaryoten (Sg. Prokaryot), Prokaryonten oder seltener Prokarya sind einzellige, meist wenige Mikrometer große Lebewesen ohne Zellkern. Zu ihnen zählen die beiden Domänen Bakterien und Archaeen. Ihr Zelltyp wird als Protocyte bezeichnet. 

Prokaryotische Zelle

Eine typische Prokaryotische Zelle wie das Darmbakterium E. Coli ist folgendermaßen aufgebaut. 

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%Beschriftung: Aufbau prokaryotische Zelle, alt Text: Prokaryotenzelle, Kapsel, Bakterien, Archaeen, Flagellum, Plasmid, Pilli, Cytoplasma, Cytoplasmamembran, Zellwand, Nucleoid

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Zellwand 

Die meisten Prokaryoten besitzen zum Schutz vor Umwelteinflüssen oder feindlichen Organismen dicke, relativ steife Zellwände . Diese weisen deutliche Unterschiede im Vergleich zu den Pilzen oder Pflanzen auf. Die meisten Zellwände der Bakterien sind aus einem Peptidoglykan – dem Murein – aufgebaut. Darunter kannst du dir ein Polymer aus Peptiden und Aminozuckern vorstellen, das eine Art Netzwerk um die Zellen bildet.

Je nach Zellwandaufbau kannst du zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien unterschieden. Mit einem Test – der sogenannten Gramfärbung – können diese Unterschiede visualisiert werden. Die Mureinschicht grampositiver Bakterien ist sehr groß und kann aus bis zu 25 Schichten bestehen. Mittels Gramfärbung kann die Zellwand violett gefärbt werden. Die Zellwand gramnegativer Bakterien besteht hingegen aus einer dünnen Mureinschicht und einer zusätzlichen Außenmembran. Der Farbstoff kann sich hier nicht in die Wand anlagern und wird ausgewaschen. 

Die Zellwände der Archaeen dagegen enthalten kein Murein. Sie sind aber meist zum größten Teil aus Proteinen aufgebaut. Eine Gruppe der Archaeen enthält ein funktional ähnliches Polymer zu Murein – das Pseudomurein oder Pseudopeptidoglykan. 

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%Beschriftung: Zellwand prokaryotischer Zellen, alt Text: Zellwand, Prokaryoten, Bakterien, Archaeen, grampositiv, gramnegativ, Murein, S-Layer, Peptidoglycan

Kapsel

Als zusätzlicher Schutz vor Austrocknung und Feinden dient in vielen Prokaryoten die sogenannte Glykokalyx. Je nach Aufbau wird sie auch als Kapsel oder Schleimhülle bezeichnet. Darunter kannst du dir einen, die Zellwand umhüllenden, Film aus Polysacchariden (Kohlenhydraten) vorstellen. 

Zellmembran

Außerdem besitzen prokaryotische Zellen Membranen , die die Zellen umgeben – sogenannte Zellmembranen oder Plasmamembranen. Du findest sie unter den  Zellwänden. Sie fungieren als Stoffbarrieren – sie kontrollieren also, welche Stoffe die Zellen passieren dürfen und welche nicht. Die Zellmembran ist bei Bakterien analog zu den Eukaryoten aus einer Doppelschicht aus Phospholipiden aufgebaut. Die Zellmembran der Archaeen weist hingegen einen völlig anderen Aufbau auf. 

Zellplasma

Prokaryotische Zellen sind vom sogenannten Zellplasma  oder Cytoplasma ausgefüllt. Es setzt sich aus einer flüssigen zu 80% aus Wasser bestehenden Komponente, dem Cytosol, und kleinen unlöslichen Partikeln wie den Ribosomen zusammen. 

Ribosomen

Unter den Ribosomen   kannst du dir kleine, ovale Teilchen, die aus Proteinen und der rRNA (Ribonukleinsäure) aufgebaut sind, vorstellen. Hier findet die Translation statt. Darunter kannst du das Ablesen von genetischen Informationen zur Herstellung von Proteinen verstehen.  Sie kommen sowohl bei Eukaryoten als auch bei Prokaryoten vor. Allerdings sind prokaryotische Ribosomen kleiner (70S) als eukaryotische (80S). 

Flagellum und Pili

Zur Fortbewegung  besitzen prokaryotische Zellen dünne, filamentartige Proteinfäden außerhalb der Zellwand – die Flagellen. Ein komplexer in der Zellwand verankerter Motor sorgt für eine Rotation des Flagellums. Das kannst du dir wie bei einem Propeller vorstellen. Zusätzlich besitzen manche Zellen kleinere, fadenförmige Proteinanhänge. Du kannst sie auch als Pili (lat. pilus = das Haar) oder Fimbrien bezeichnen. Sie dienen zur Anheftung an festen Oberflächen oder anderen Zellen. 

DNA und Genregulation

Statt einem Zellkern ist im Cytoplasma der Prokaryoten ein meist ringförmiges DNA-Molekül zu finden – das Nucleoid oder Bakterienchromosom. Da hier nur ein Chromosom vorliegt, kannst du auch von einem haploiden (= einfachen) Chromosomensatz sprechen.  Du kannst in prokaryotischen Zellen zusätzlich aber noch weitere kleine DNA-Ringe vorfinden – die Plasmide. Sie können  ausgetauscht werden und somit eine Weitergabe genetischer Informationen (z.B. Resistenzgene gegen bestimmte Antibiotika) veranlassen. 

Unter Genregulation bzw. Transkriptionsregulation kannst du verstehen, dass gewisse Gene bei Bedarf an- und ausgeschaltet werden können. Manche Enzyme und Strukturproteine werden in Zellen ständig benötigt (z.B. Enzyme für den Glucoseabbau), andere Proteine sind nur in besonderen Situationen wie bei der Vermehrung erforderlich. Bei den Prokaryoten gibt es hierfür das sogenannte Operon-Modell.%Verweis Darunter kannst du dir vorstellen, dass die Gene häufig in Abschnitten (Operons) strukturiert sind. Diese werden von einer einzelnen regulatorischen Region kontrolliert. 

Prokaryoten Stoffwechsel und Vermehrung

Prokaryoten zeichnen sich durch ihre Stoffwechselvielfalt aus, worin sie Eukaryoten bei Weitem übertreffen. So können manche Arten ohne Sauerstoff Energie gewinnen (=Anaerobier), manche Arten mit (=Aerobier) und wieder andere können zwischen beiden Formen wechseln. Weitere Einteilungen des Stoffwechsels können je nach Energie- oder Kohlenstoffquelle (autotroph oder heterotroph), sowie der Art des Elektronendonors bzw. -akzeptors vorgenommen werden. Schauen wir uns einmal ein paar Beispiele an: 

Viele phototrophe Mikroorganismen (z.B. Cyanobakterien/Blaualgen, Purpurbakterien) können mithilfe von Licht durch Photosynthese nutzbare chemische Energie (ATP) gewinnen. Cyanobakterien betreiben als einzige Gruppe die sogenannte oxygene Photosynthese ( = Sauerstoffproduktion durch Photosynthese). Dadurch wurden erst die aeroben Lebensbedingungen auf der Erde möglich gemacht. 

Chemolithotrophe Organismen gewinnen ihre Stoffwechselenergie durch Oxidation anorganischer Verbindungen (z.B. Ammoniak NH_3, Schwefelwasserstoff H_2S oder Metallionen). Hierzu gehören beispielsweise die Stickstoff-Fixierer, die Stickstoff (N_2) für andere Organismen verfügbar machen. Nitrifizierer sorgen dafür, dass Stickstoff in Formen überführt wird, die von Pflanzen aufgenommen und verwertet werden können. Denitrifizierer bewirken, dass molekularer Stickstoff wieder in die Atmosphäre gelangt. 

Da Prokaryoten kein Zytoskelett und keinen Zellkern aufweisen, ist auch keine Teilung durch Mitose möglich. Nach der Vervielfältigung der Erbinformation – der Replikation – folgt eine Teilung der DNA mit Zweiteilung der Zellen. Es entstehen zwei identische Tochterzellen (=Klone). Unter idealen Bedingungen wie konstanter Nahrungszufuhr würde ein exponentielles Wachstum stattfinden.  Es gibt allerdings auch Möglichkeiten für eine Rekombination ihrer Gene.  Hierbei wird das Genom einer Zelle mit dem DNA-Fragment einer anderen Zelle kombiniert. Diese Prozesse sind allerdings nicht mit der Zellteilung gekoppelt. 

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%Beschriftung: Zellteilung Prokaryotenzelle alt. Text: Prokaryoten, Klone, Septum, Replikation, Tochterzellen, DNA, exponentielles Wachstum

Unterschiede Prokaryoten Eukaryoten

Eukaryoten und Prokaryoten stammen laut genetischer Untersuchungen von einem gemeinsamen Vorfahren ab. Aus den Prokaryoten sollen gemäß der Endosymbiontentheorie die Mitochondrien und Plastiden in eukaryotischen Zellen hervorgegangen sein.

Der wichtigste Unterschied zwischen den beiden Gruppen besteht darin, dass Eukaryoten einen echten Zellkern besitzen und Prokaryoten stattdessen ein Bakterienchromosom. 

%Thumbnail verweis auf Video

Schau dir gerne unseren Beitrag zum Vergleich von Eukaryoten und Prokaryoten an, um noch weitere wichtige Aspekte über Gemeinsamkeiten und Unterschiede der beiden Arten zu erfahren.

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