Biologie > Cytologie > Zelle im LM

Die Prokaryotenzelle

Lichtmikroskop - Elektronenmikroskop - Prokaryotenzelle - Tierzelle - Pflanzenzelle - Vergleich

Was sind Prokaryoten?

Das ist eine wichtige Frage. Eine recht ausführliche Antwort darauf finden Sie auf der entsprechenden Seite meines Biologie-Lexikons, "Prokaryoten", vielleicht sollten Sie sich diese Seite zunächst anschauen. Hier nur eine Kurzfassung:

Prokaryoten sind Lebewesen ohne einen echten Zellkern (pro = vor, karyon = Kern). Früher, zu meiner Schulzeit in den 70er Jahren, zählte man die Bakterien und die Blaualgen zu den Prokaryoten. Heute werden die Prokaryoten in Bakterien und Archaeen unterteilt. Und wozu gehören dann die Blaualgen? Die Blaualgen bilden jetzt eine Abteilung der Bakterien, sie werden auch als Cyanobakterien bezeichnet.

Evolutionsbiologisch bilden die Prokaryoten die Basis allen Lebens. Die ersten Zellen, die auf der Erde vor Milliarden Jahren entstanden sind, waren prokaryotische Zellen. Die eukaryotischen Zellen sind erst durch die Vereinigung mehrerer prokaryotischer Zellen entstanden (Endosymbionten-Theorie).

In allen ökologischen Nischen, selbst den extremsten, findet man heute Prokaryoten. Diese einfachen Lebewesen sind unheimlich anpassungsfähig, selbst in heißen Schwefelquellen mit über 100 ºC heißem Wasser leben Prokaryoten. Im Vergleich dazu sind Eukaryotenzellen völlig unflexibel, sobald der Gefrierpunkt des Wassers unterschritten wird, haben sie schon Probleme, und Temperaturen über 50 oder 60 ºC halten sie gar nicht aus. Und Eukaryoten betreiben entweder Photosynthese, wenn sie Algen oder grüne Pflanzen sind, oder ernähren sich von organischen Verbindungen, die von Algen oder grünen Pflanzen produziert worden sind. Prokaryoten dagegen können alle möglichen Stoffe abbauen, reduzieren oder oxidieren, um daraus Energie zu gewinnen.

Es gibt auch viel mehr Prokaryoten-Arten als Eukaryoten-Arten. Man schätzt, das mindestens 99% aller Prokaryoten-Arten noch gar nicht beschrieben worden sind [4].

Allgemeiner Bau [1,2,3]

Eine Bakterienzelle (E. coli)

Dieses Bild zeigte stark vergrößert eine Zelle des Bakteriums Escherichia coli.
Quelle: Eigene Zeichnung. Autor: Ulrich Helmich: Lizenz: siehe Seitenende.

Alle Prokaryotenzellen sind sehr einfach aufgebaut. Der Zellkörper enthält Cytoplasma, das von einer dünnen Zellmembran umgeben ist. Im Cytoplasma findet sich eine ringförmige DNA sowie eine Unzahl von Ribosomen, die der Proteinsynthese dienen.

Größe. Bakterienzellen sind sehr klein, die meisten Bakterien haben eine Größe zwischen 1 und 10 µm (Mikrometern, 1 µm = 1/1000 mm).

Allerdings wurde jetzt (2022) in den Mangrovensümpfen der Insel Guadeloupe ein Riesenbakterium gefunden, das gut einen Zentimeter, maximal 2 cm lang ist. Man hat es auf den Namen Thiomargarita magnificia getauft [5].

Zellmembran. Die Zellmembran ist die eigentliche Stoffbarriere der Zelle. Innerhalb der Zellmembran befindet sich das Zellplasma, die eigentliche "Lebensgrundlage" der Zelle. Die Zellmembran reguliert, welche Stoffe in die Zelle eindringen dürfen und welche Stoffe aus der Zelle heraus dürfen. Außerdem enthält die Zellmembran viele Proteine und Glycoproteine, die wichtige Aufgaben übernehmen, beispielsweise zur Erkennung chemischer Signale. Chemisch ist die  Zellmembran anderes aufgebaut als die Zellmembranen von Pflanzenzellen oder Tierzellen.

Zellplasma. Wie bereits erwähnt, bildet das Zellplasma die eigentliche Substanz der Bakterienzelle, die "Lebensgrundlage". Im Zellplasma finden alle wesentlichen Prozesse statt (Stoffwechsel, Reaktion auf Reize, Ablesen von Erbinformation etc.).

Keine Kompartimente. Eine Bakterienzelle enthält keine isolierten Reaktionsräume. Alle chemischen Reaktionen der Zelle laufen im Zellplasma ab. Das hat den Nachteil, dass sich die Reaktionen teilweise gegenseitig stören oder beeinflussen können.

DNA. Das lange, in sich zu einem Ring geschlossene DNA-Molekül enthält die Informationen für viele Hundert bis Tausend Proteine, die für die Zelle wichtig sind. Die DNA der meisten Bakterien hat 2 - 3 Millionen Basenpaare. Das hört sich viel an, ist aber im Vergleich zu den 2 - 3 Milliarden Basenpaaren, die in tierischen oder pflanzlichen Zellen vorkommen, recht wenig.

Bau einer Prokaryotenzelle
Quelle: Wikipedia, Artikel "Prokaryoten", Autor: LadyofHats, , Lizenz: public domain

Kein Zellkern. Die ringförmige DNA liegt "nackt" im Zellplasma des Bakteriums vor, sie ist nicht in einen Zellkern eingeschlossen wie bei den Tier- und Pflanzenzellen.

Plasmide. Das sind kleine ringförmige DNA-Moleküle, welche die Informationen für einige wenige aber sehr wichtige Proteine enthalten (quasi ein externer Zusatzspeicher für Erbinformationen, wie eine SD-Karte, die man in sein Smartphone schiebt, um zusätzliche Bilder abzuspeichern). Die Gene für die Resistenz gegen bestimmte Antibiotika finden sich häufig auf diesen Plasmiden. Plasmide können sich unabhängig von der ringförmigen Haupt-DNA vermehren, und Plasmide können von einer Bakterienzelle auf eine andere Bakterienzelle übertragen werden, so dass ein Austausch von Erbinformationen möglich ist (hier passt auch die Analogie zur SD-Karte; man kann damit Bilder von einem Gerät auf ein anderes übertragen). Plasmide können sich innerhalb einer Bakterienzelle auch verdoppeln (da hört die Analogie zur SD-Karte leider auf).

Ribosomen. Das sind die Proteinfabriken der Bakterienzelle. Sie verarbeiten die Informationen der DNA (ringförmige DNA, Plasmide) und stellen mit Hilfe dieser Informationen Proteine her (siehe Proteinsynthese im Genetik-Bereich). Bakterielle Ribosomen sind kleiner als die Ribosomen von Tier- und Pflanzenzellen, weil sie anderes zusammengesetzt sind. Aus diesem Grund werden die bakteriellen Ribosomen auch als 70-S-Ribosomen bezeichnet und die Ribosomen der Tier- und Pflanzenzellen als 80-S-Ribosomen. Die Zahl 70 bzw. 80 bezieht sich auf die Sedimentationsgeschwindigkeit beim Zentrifugieren. Die großen 80-S-Ribosomen sinken schneller im Zentrifugenglas als die kleinen 70-S-Ribosomen.

Entwicklung von Angepasstheiten [2]

Im Laufe der Evolution haben die Prokaryoten eine ganze Reihe von Angepasstheiten entwickeln, die Ihnen das Überleben in der jeweiligen Umwelt ermöglichten und ihnen gegenüber prokaryotischen Konkurrenten Selektionsvorteile verschafften. Die wichtigsten dieser Angepasstheiten [2] sollen hier kurz aufgeführt werden.

Zellwand. Viele prokaryotische Zellen besitzen eine mehr oder weniger dicke Zellwand. Sie gibt der Zelle Form und mechanischen Schutz. Eine Stoffbarriere ist die Zellwand dagegen nicht, sie stellt kein Hindernis für Wasser oder im Wasser gelöste Stoffe dar. Chemisch ist die Bakterien-Zellwand völlig anderes aufgebaut als die Zellwand einer Pflanzenzelle. Während die Zellwand einer Pflanzenzelle hauptsächlich aus Cellulose besteht, enthält die Zellwand einer Bakterienzelle vor allem Murein.

Äußere Membran. Einige Prokaryoten besitzen eine äußere Membran, die der Zellwand aufliegt. Diese äußere Membran hat aber keine Barrierefunktion wie die innere Zellmembran.

Kapsel. Viele Prokaryoten, besonders die krankheitserregenden, sind von einer Schleimkapsel umgeben. Diese Kapsel schützt die Prokaryoten vor dem Immunsystem der Wirtsorganismen. Auch dient eine solche Kapsel oft zur Anlagerung von prokaryotischen Artgenossen, so dass sich große Zellverbände bilden können.

Innere Membranen. Einige Prokaryoten haben - unabhängig voneinander - die Photosynthese erfunden. Dazu haben sie dann innere Membranen ausgebildet, an denen die Lichtreaktion stattfindet. Eine Prokaryotengruppe hat sich sogar ganz auf die Photosynthese spezialisiert, die Cyanobakterien, oft auch als Blaualgen bezeichnet. Blaualgen sind aber keine Algen (Algen sind stets eukaryotische Zellen, die einzeln oder in großen Verbänden leben und Photosynthese betreiben), sondern Prokaryoten.

Geißeln. Wenn man sich zu einer Nahrungsquelle hinbewegen oder von einer Gefahr fortbewegen kann, ist das immer von Vorteil. Daher haben sich im Laufe der Zeit Strukturen bei den Prokaryoten entwickelt, die der Fortbewegung dienen. Diese langen, dünnen und komplex aufgebauten Strukturen werden als Geißeln oder Flagellen bezeichnet.

Pili. Das sind Ausstülpungen der prokaryotischen Zelle, die hauptsächlich aus Proteinen bestehen. Die sogenannten Sex-Pili dienen der Konjugation. Darunter versteht man den Austausch von genetischem Material zwischen zwei Prokaryotenzellen. Andere Pili, oft auch als Fimbrien bezeichnet, haben eine Verankerungsfunktion, die Prokaryotenzelle kann sich damit an Substrate anheften oder auch an Wirtszellen, sie können zur Nahrungsaufnahme oder zur Verteidigung dienen; die Natur ist da sehr erfinderisch.

Cytoskelett. Komplexe Proteinfasern im Cytoplasma dienen der Aufrechterhaltung der Form und spielen eine Rolle bei der Fortbewegung der Zelle sowie bei der Zellteilung.

Einteilung [1,2,3]

Die Lebewesen werden heute in drei Domänen eingeteilt. Die ersten beiden Domänen sind die Bakterien und die Archaeen. Die dritte Domäne sind die Eukaryoten. Die beiden ersten Domänen, also die Bakterien und die Archaeen, werden zu den Prokaryoten zusammengefasst.

Quellen:

  1. Allgemeinwissen aus Oberstufen-Lehrbüchern
  2. Savada, Hillis, Heller, Hacker: Purves Biologie, Springer Verlag Deutschland 2019, 10. Auflage. Herausgegeben von Jürgen Markl.
  3. Urry, Cain, Wassermann, Minorsky, Reece, Campbell Biologie, Hallbergmoos 2019, 11.Auflage
  4. Alberts, Bruce et al. Molekularbiologie der Zelle, 6. Auflage, Weinheim 2017.
  5. "Rekordbakterium misst einen Zentimeter" in Spektrum der Wissenschaft 9/22.