PROKARYONTISCHE ZELLE: EIGENSCHAFTEN, ZELLSTRUKTUR, TYPEN - BIOLOGIE - 2025

Die prokaryotischen Zellen sind einfach und ohne einen Kern, der durch eine Plasmamembranstruktur begrenzt ist. Die mit diesem Zelltyp assoziierten Organismen sind einzellig, obwohl sie sich zusammenschließen und Sekundärstrukturen wie Ketten bilden können.

Von den drei von Carl Woese vorgeschlagenen Lebensbereichen entsprechen Prokaryoten Bakterien und Archaea. Die verbleibende Domäne, Eucarya, besteht aus größeren, komplexeren eukaryotischen Zellen mit einem abgegrenzten Kern.

Prokaryotische Zelle. Quelle: Von Ali Zifan aus Wikimedia Commons

Eine der wichtigsten Dichotomien in den Biowissenschaften ist die Unterscheidung zwischen der eukaryotischen und der prokaryotischen Zelle. Historisch gesehen wird ein prokaryotischer Organismus als einfach angesehen, ohne interne Organisation, ohne Organellen und ohne Zytoskelett. Neue Beweise zerstören jedoch diese Paradigmen.

Beispielsweise wurden Strukturen in Prokaryoten identifiziert, die möglicherweise als Organellen betrachtet werden können. Ebenso wurden Proteine ​​gefunden, die homolog zu den Proteinen von Eukaryoten sind, die das Zytoskelett bilden.

Prokaryoten sind in ihrer Ernährung sehr unterschiedlich. Sie können das Sonnenlicht und die in chemischen Bindungen enthaltene Energie als Energiequelle nutzen. Sie können auch verschiedene Kohlenstoffquellen wie Kohlendioxid, Glukose, Aminosäuren und Proteine ​​verwenden.

Prokaryoten teilen sich ungeschlechtlich durch binäre Spaltung. Dabei repliziert der Organismus seine zirkuläre DNA, vergrößert sein Volumen und teilt sich schließlich in zwei identische Zellen.

Es gibt jedoch Mechanismen für den Austausch von genetischem Material, die Variabilität in Bakterien erzeugen, wie Transduktion, Konjugation und Transformation.

Allgemeine Charakteristiken

Prokaryoten sind relativ einfache einzellige Organismen. Das auffälligste Merkmal, das diese Gruppe identifiziert, ist das Fehlen eines echten Kerns. Sie sind in zwei große Zweige unterteilt: echte Bakterien oder Eubakterien und Archaebakterien.

Sie haben fast jeden erdenklichen Lebensraum besiedelt, von Wasser und Boden bis zum Inneren anderer Organismen, einschließlich des Menschen. Insbesondere bewohnen Archaebakterien Gebiete mit extremen Temperaturen, Salzgehalt und pH-Wert.

Struktur

Durchschnittliche prokaryotische Zelle.

Das architektonische Schema eines typischen Prokaryoten ist ohne Zweifel das von Escherichia coli, einem Bakterium, das normalerweise unseren Magen-Darm-Trakt bewohnt.

Die Zellform erinnert an einen Stab und hat einen Durchmesser von 1 um und eine Länge von 2 um. Prokaryoten sind von einer Zellwand umgeben, die hauptsächlich aus Polysacchariden und Peptiden besteht.

Die Bakterienzellwand ist ein sehr wichtiges Merkmal und ermöglicht je nach Struktur die Einrichtung eines Klassifizierungssystems in zwei große Gruppen: grampositive und gramnegative Bakterien.

Gefolgt von der Zellwand finden wir eine Membran (gemeinsames Element zwischen Prokaryoten und Eukaryoten) lipider Natur mit einer Reihe eingebetteter prothetischer Elemente, die den Organismus von seiner Umgebung trennen.

DNA ist ein zirkuläres Molekül, das sich in einer bestimmten Region befindet und keine Membran oder Trennung mit dem Zytoplasma aufweist.

Das Zytoplasma zeigt ein raues Aussehen und hat ungefähr 3.000 Ribosomen - Strukturen, die für die Proteinsynthese verantwortlich sind.

Arten von Prokaryoten

Gegenwärtige Prokaryoten bestehen aus einer großen Vielfalt von Bakterien, die in zwei große Domänen unterteilt sind: Eubakterien und Archaebakterien. Den Beweisen zufolge scheinen diese Gruppen sehr früh in der Evolution auseinander gegangen zu sein.

Archaebakterien sind eine Gruppe von Prokaryoten, die im Allgemeinen in Umgebungen mit ungewöhnlichen Bedingungen wie Temperaturen oder hohem Salzgehalt leben. Diese Bedingungen sind heute selten, können aber in der frühen Erde vorherrschend gewesen sein.

Beispielsweise leben Thermoacidophile in Gebieten, in denen die Temperatur ein Maximum von 80 ° C und einen pH-Wert von 2 erreicht.

Eubakterien leben ihrerseits in Umgebungen, die uns Menschen gemeinsam sind. Sie können Boden, Wasser oder andere Organismen bewohnen - wie Bakterien, die Teil unseres Verdauungstrakts sind.

Morphologie von Prokaryoten

Bakterien kommen in einer Reihe sehr unterschiedlicher und heterogener Morphologien vor. Unter den häufigsten haben wir die abgerundeten Kokosnüsse. Diese können einzeln, paarweise, in einer Kette, in Tetraden usw. auftreten.

Einige Bakterien ähneln morphologisch einem Stab und werden Bazillen genannt. Wie Kokosnüsse können sie in verschiedenen Arrangements mit mehr als einer Person gefunden werden. Wir finden auch spiralförmige Spirochäten und solche mit einer Komma- oder Kornform, die Vibrios genannt werden.

Jede dieser beschriebenen Morphologien kann zwischen verschiedenen Arten variieren - zum Beispiel kann ein Bazillus länglicher sein als ein anderer oder mit abgerundeten Kanten - und zur Identifizierung der Art nützlich sein.

Reproduktion

Asexuelle Reproduktion

Die Fortpflanzung in Bakterien ist asexuell und erfolgt durch binäre Spaltung. In diesem Prozess "spaltet sich der Organismus buchstäblich in zwei Teile", was zu Klonen des ursprünglichen Organismus führt. Dazu müssen ausreichende Ressourcen verfügbar sein.

Der Prozess ist relativ einfach: Zirkuläre DNA repliziert und bildet zwei identische Doppelhelices. Später wird das genetische Material in der Zellmembran untergebracht und die Zelle beginnt zu wachsen, bis sich ihre Größe verdoppelt. Die Zelle teilt sich schließlich und jeder resultierende Teil hat eine zirkuläre DNA-Kopie.

Bei einigen Bakterien können sich die Zellen das Material teilen und wachsen, aber sie teilen sich nicht vollständig und bilden eine Art Kette.

Zusätzliche Quellen genetischer Variabilität

Es gibt Genaustauschereignisse zwischen Bakterien, die einen genetischen Transfer und eine Rekombination ermöglichen, ein Prozess, der dem ähnelt, was wir als sexuelle Reproduktion kennen. Diese Mechanismen sind Konjugation, Transformation und Transduktion.

Die Konjugation besteht aus dem Austausch von genetischem Material zwischen zwei Bakterien durch eine Struktur ähnlich den feinen Haaren, die Pili oder Fimbrien genannt werden und als „Brücke“ fungieren. In diesem Fall muss zwischen beiden Personen eine physische Nähe bestehen.

Bei der Transformation werden nackte DNA-Fragmente aus der Umwelt entnommen. Das heißt, in diesem Prozess ist die Anwesenheit eines zweiten Organismus nicht notwendig.

Schließlich haben wir eine Übersetzung, bei der das Bakterium das genetische Material über einen Vektor aufnimmt, beispielsweise über Bakteriophagen (Viren, die Bakterien infizieren).

Ernährung

Bakterien brauchen Substanzen, die ihr Überleben garantieren und ihnen die Energie geben, die für zelluläre Prozesse notwendig ist. Die Zelle nimmt diese Nährstoffe durch Absorption auf.

Im Allgemeinen können wir Nährstoffe als essentiell oder basisch (Wasser, Kohlenstoffquellen und stickstoffhaltige Verbindungen), sekundär (wie einige Ionen: Kalium und Magnesium) und Spurenelemente klassifizieren, die in minimalen Konzentrationen (Eisen, Kobalt) benötigt werden.

Einige Bakterien benötigen spezifische Wachstumsfaktoren wie Vitamine und Aminosäuren sowie stimulierende Faktoren, die zwar nicht unbedingt erforderlich sind, aber den Wachstumsprozess unterstützen.

Die Ernährungsbedürfnisse von Bakterien variieren stark, aber ihr Wissen ist notwendig, um wirksame Kulturmedien herstellen zu können, um das Wachstum eines interessierenden Organismus sicherzustellen.

Ernährungskategorien

Bakterien können nach der von ihnen verwendeten Kohlenstoffquelle, entweder organisch oder anorganisch, und abhängig von der Energieerzeugungsquelle klassifiziert werden.

Je nach Kohlenstoffquelle haben wir zwei Gruppen: Die Autotrophen oder Lithotrophen verwenden Kohlendioxid und die Heterotrophen oder Organotrophen, die eine organische Kohlenstoffquelle benötigen.

Im Fall der Energiequelle haben wir auch zwei Kategorien: Phototrophe, die Sonnenenergie oder Strahlungsenergie verbrauchen, und Chemotrophe, die von der Energie chemischer Reaktionen abhängen. Durch die Kombination beider Kategorien können Bakterien in folgende Kategorien eingeteilt werden:

Photoautotrophen

Sie erhalten Energie aus Sonnenlicht - was bedeutet, dass sie photosynthetisch aktiv sind - und ihre Kohlenstoffquelle ist Kohlendioxid.

Photoheterotrophe

Sie können Strahlungsenergie für ihre Entwicklung nutzen, aber kein Kohlendioxid einbauen. Daher verwenden sie andere Kohlenstoffquellen wie Alkohole, Fettsäuren, organische Säuren und Kohlenhydrate.

Chemoautotrophen

Sie gewinnen Energie aus chemischen Reaktionen und können Kohlendioxid einbauen.

Chemoheterotrophe

Sie verbrauchen Energie aus chemischen Reaktionen und Kohlenstoff stammt aus organischen Verbindungen wie Glukose - die am häufigsten verwendet wird - Lipiden und auch Proteinen. Beachten Sie, dass die Energiequelle und die Kohlenstoffquelle in beiden Fällen gleich sind, daher ist die Unterscheidung zwischen beiden schwierig.

Im Allgemeinen gehören Mikroorganismen, die als menschliche Krankheitserreger gelten, zu dieser letzten Kategorie und verwenden Aminosäuren und Lipidverbindungen ihrer Wirte als Kohlenstoffquelle.

Stoffwechsel

Der Stoffwechsel umfasst alle komplexen, enzymkatalysierten chemischen Reaktionen, die innerhalb eines Organismus stattfinden, damit er sich entwickeln und reproduzieren kann.

Bei Bakterien unterscheiden sich diese Reaktionen nicht von den grundlegenden Prozessen, die bei komplexeren Organismen ablaufen. Tatsächlich haben wir mehrere Wege, die beide Abstammungslinien von Organismen gemeinsam haben, wie zum Beispiel die Glykolyse.

Stoffwechselreaktionen werden in zwei große Gruppen eingeteilt: Biosynthese oder anabole Reaktionen und Abbau- oder katabolische Reaktionen, die auftreten, um chemische Energie zu erhalten.

Katabolische Reaktionen setzen gestaffelt Energie frei, die der Körper für die Biosynthese seiner Komponenten verwendet.

Grundlegende Unterschiede zu eukaryotischen Zellen

Prokaryoten unterscheiden sich von Prokaryoten hauptsächlich in der strukturellen Komplexität der Zelle und den darin ablaufenden Prozessen. Im Folgenden werden die Hauptunterschiede zwischen den beiden Linien beschrieben:

Größe und Komplexität

Im Allgemeinen sind prokaryotische Zellen kleiner als eukaryotische Zellen. Die ersteren haben Durchmesser zwischen 1 und 3 um, im Gegensatz zu einer eukaryotischen Zelle, die 100 um erreichen kann. Es gibt jedoch einige Ausnahmen.

Obwohl prokaryotische Organismen einzellig sind und wir sie nicht mit bloßem Auge beobachten können (es sei denn, wir beobachten beispielsweise Bakterienkolonien), sollten wir keine Merkmale verwenden, um zwischen beiden Gruppen zu unterscheiden. In Eukaryoten finden wir auch einzellige Organismen.

Tatsächlich sind eine der komplexesten Zellen einzellige Eukaryoten, da sie alle für ihre Entwicklung erforderlichen Strukturen in einer Zellmembran enthalten müssen. Die Gattungen Paramecium und Trypanosoma sind bemerkenswerte Beispiele dafür.

Andererseits gibt es hochkomplexe Prokaryoten wie Cyanobakterien (eine prokaryotische Gruppe, in der die Entwicklung von Photosynthesereaktionen stattfand).

Ader

Das Wort "Prokaryot" bezieht sich auf das Fehlen eines Kerns (pro = vorher; karyon = Kern), während Eukaryoten einen wahren Kern haben (eu = wahr). Somit werden diese beiden Gruppen durch das Vorhandensein dieser wichtigen Organelle getrennt.

In Prokaryoten ist das genetische Material in einer bestimmten Region der Zelle verteilt, die als Nukleoid bezeichnet wird - und es ist kein echter Kern, da es nicht durch eine Lipidmembran begrenzt ist.

Eukaryoten haben einen definierten Kern und sind von einer Doppelmembran umgeben. Diese Struktur ist äußerst komplex und weist verschiedene Bereiche im Inneren auf, wie z. B. den Nucleolus. Darüber hinaus kann diese Organelle dank des Vorhandenseins von Kernporen mit der inneren Umgebung der Zelle interagieren.

Organisation von genetischem Material

Prokaryoten enthalten 0,6 bis 5 Millionen Basenpaare in ihrer DNA und es wird geschätzt, dass sie bis zu 5.000 verschiedene Proteine ​​codieren können.

Prokaryontische Gene organisieren sich in Einheiten, die als Operons bezeichnet werden - wie das bekannte Lactose-Operon -, während dies bei eukaryotischen Genen nicht der Fall ist.

In Genen können wir zwei "Regionen" unterscheiden: Introns und Exons. Ersteres sind Teile, die nicht für das Protein kodieren und die kodierenden Regionen, sogenannte Exons, unterbrechen. Introns sind in eukaryotischen Genen häufig, jedoch nicht in Prokaryoten.

Prokaryoten sind im Allgemeinen haploide (eine einzelne genetische Belastung) und Eukaryoten haben sowohl haploide als auch polyploide Belastungen. Zum Beispiel sind wir Menschen diploid. In ähnlicher Weise haben Prokaryoten ein Chromosom und Eukaryoten mehr als eines.

Verdichtung von genetischem Material

Innerhalb des Zellkerns weisen Eukaryoten eine komplexe DNA-Organisation auf. Eine lange DNA-Kette (ungefähr zwei Meter lang) kann sich so verdrehen, dass sie in den Kern integriert und während des Teilungsprozesses in Form von Chromosomen unter dem Mikroskop sichtbar gemacht werden kann.

Dieser DNA-Verdichtungsprozess umfasst eine Reihe von Proteinen, die in der Lage sind, sich an den Strang zu binden und Strukturen zu bilden, die einer Perlenkette ähneln, wobei der Strang durch DNA und die Perlen durch Perlen dargestellt werden. Diese Proteine ​​werden Histone genannt.

Histone sind während der gesamten Evolution weitgehend konserviert worden. Mit anderen Worten, unsere Histone sind denen einer Maus unglaublich ähnlich oder gehen weiter zu denen eines Insekts. Strukturell haben sie eine hohe Anzahl positiv geladener Aminosäuren, die mit den negativen Ladungen der DNA interagieren.

In Prokaryoten wurden bestimmte zu Histonen homologe Proteine ​​gefunden, die allgemein als Histone-ähnlich bekannt sind. Diese Proteine ​​tragen zur Kontrolle der Genexpression, Rekombination und DNA-Replikation bei und sind wie Histone in Eukaryoten an der Organisation des Nukleoids beteiligt.

Organellen

In eukaryotischen Zellen kann eine Reihe hochkomplexer subzellulärer Kompartimente identifiziert werden, die spezifische Funktionen erfüllen.

Am relevantesten sind die Mitochondrien, die für die Zellatmung und die Erzeugung von ATP verantwortlich sind, und in Pflanzen zeichnen sich Chloroplasten durch ihr Drei-Membransystem und die für die Photosynthese erforderlichen Maschinen aus.

Ebenso haben wir unter anderem den Golgi-Komplex, ein glattes und raues endoplasmatisches Retikulum, Vakuolen, Lysosomen und Peroxisomen.

Ribosomenstruktur

Ribosomen

Ribosomen umfassen die für die Proteinsynthese erforderliche Maschinerie, daher müssen sie sowohl in Eukaryoten als auch in Prokaryoten vorhanden sein. Obwohl es für beide eine unverzichtbare Struktur ist, unterscheidet es sich überwiegend in der Größe.

Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten: einer großen und einer kleinen. Jede Untereinheit wird durch einen Parameter identifiziert, der als Sedimentationskoeffizient bezeichnet wird.

Bei Prokaryoten beträgt die große Untereinheit 50S und die kleine Untereinheit 30S. Die gesamte Struktur heißt 70S. Ribosomen sind im gesamten Zytoplasma verteilt, wo sie ihre Aufgaben erfüllen.

Eukaryoten haben größere Ribosomen, die große Untereinheit ist 60S, die kleine Untereinheit ist 40S und das gesamte Ribosom ist als 80S bezeichnet. Diese befinden sich hauptsächlich im rauen endoplasmatischen Retikulum verankert.

Zellwand

Die Zellwand ist ein wesentliches Element gegen osmotischen Stress und dient als Schutzbarriere gegen mögliche Schäden. Fast alle Prokaryoten und einige Gruppen von Eukaryoten haben eine Zellwand. Der Unterschied liegt in der chemischen Natur.

Die Bakterienwand besteht aus Peptidoglycan, einem Polymer, das aus zwei Strukturelementen besteht: N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure, die durch Bindungen vom Typ β-1,4 miteinander verbunden sind.

Innerhalb der eukaryotischen Linie gibt es auch Wandzellen, hauptsächlich in einigen Pilzen und in allen Pflanzen. Die am häufigsten vorkommende Verbindung in der Wand von Pilzen ist Chitin und in Pflanzen Cellulose, ein Polymer, das aus vielen Glucoseeinheiten besteht.

Zellteilung

Wie bereits erwähnt, teilen sich Prokaryoten durch binäre Spaltung. Eukaryoten haben ein komplexes Teilungssystem, das verschiedene Stadien der Kernteilung umfasst, entweder Mitose oder Meiose.

Phylogenie und Klassifikation

Im Allgemeinen sind wir es gewohnt, eine Art nach dem von E. Mayr 1989 vorgeschlagenen biologischen Konzept zu definieren: "Gruppen sich kreuzender natürlicher Populationen, die reproduktiv von anderen Gruppen isoliert sind".

Eine Anwendung dieses Konzepts auf asexuelle Arten, wie dies bei Prokaryoten der Fall ist, ist unmöglich. Daher muss es einen anderen Weg geben, sich dem Konzept der Arten zu nähern, um diese Organismen zu klassifizieren.

Nach Rosselló-Mora et al. (2011) passt das phylo-phenetische Konzept gut zu dieser Linie: „Eine monophyletische und genomisch kohärente Gruppe einzelner Organismen, die in vielen unabhängigen Merkmalen ein hohes Maß an allgemeiner Ähnlichkeit aufweisen und durch eine diskriminierende phänotypische Eigenschaft diagnostizierbar sind“.

Zuvor wurden alle Prokaryoten in eine einzige "Domäne" eingeteilt, bis Carl Woese vorschlug, dass der Baum des Lebens drei Hauptäste haben sollte. Nach dieser Klassifizierung umfassen Prokaryoten zwei Domänen: Archaea und Bakterien.

Innerhalb der Bakterien finden wir fünf Gruppen: Proteobakterien, Chlamydien, cyanobakterielle Spirochäten und grampositive Bakterien. In ähnlicher Weise haben wir vier Hauptgruppen von Archaeen: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard und DPANN Group.

Neue Erkenntnisse

Eines der am weitesten verbreiteten Konzepte in der Biologie ist die Einfachheit des prokaryotischen Cytosols. Neue Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass prokaryotische Zellen eine potenzielle Organisation aufweisen. Derzeit versuchen Wissenschaftler, das Dogma der Abwesenheit von Organellen, Zytoskelett und anderen Merkmalen in dieser einzelligen Linie aufzubrechen.

Organellen in Prokaryoten

Die Autoren dieses sehr neuartigen und kontroversen Vorschlags versichern, dass es in eukaryotischen Zellen Kompartimentierungsgrade gibt, hauptsächlich in Strukturen, die durch Proteine ​​und intrazelluläre Lipide begrenzt sind.

Nach Ansicht der Verfechter dieser Idee ist eine Organelle ein Kompartiment, das von einer biologischen Membran mit einer bestimmten biochemischen Funktion umgeben ist. Unter diesen "Organellen", die dieser Definition entsprechen, befinden sich unter anderem Lipidkörper, Carboxysome, Gasvakuolen.

Magnetosomen

Eines der faszinierendsten Kompartimente von Bakterien sind Magnetosomen. Diese Strukturen hängen mit der Fähigkeit bestimmter Bakterien - wie Magnetospirillum oder Magnetococcus - zusammen, Magnetfelder zur Orientierung zu verwenden.

Strukturell sind sie ein kleiner 50-Nanometer-Körper, der von einer Lipidmembran umgeben ist, deren Inneres aus magnetischen Mineralien besteht.

Photosynthetische Membranen

Darüber hinaus haben einige Prokaryoten "photosynthetische Membranen", die die am besten untersuchten Kompartimente in diesen Organismen sind.

Diese Systeme arbeiten daran, die Effizienz der Photosynthese zu maximieren, die Anzahl der verfügbaren photosynthetischen Proteine ​​zu erhöhen und die Membranoberfläche zu maximieren, die dem Licht ausgesetzt ist.

Fächer in

Es war nicht möglich, einen plausiblen Entwicklungsweg von diesen zuvor erwähnten Kompartimenten zu den hochkomplexen Organellen von Eukaryoten zu verfolgen.

Die Gattung Planctomycetes weist jedoch eine Reihe von Kompartimenten auf, die an Organellen selbst erinnern und als bakterieller Vorfahr von Eukaryoten vorgeschlagen werden können. In der Gattung Pirellula gibt es Chromosomen und Ribosomen, die von biologischen Membranen umgeben sind.

Komponenten des Zytoskeletts

In ähnlicher Weise gibt es bestimmte Proteine, die historisch als einzigartig für Eukaryoten angesehen wurden, einschließlich der essentiellen Filamente, die Teil des Zytoskeletts sind: Tubulin, Actin und Zwischenfilamente.

Jüngste Untersuchungen haben es geschafft, Proteine ​​zu identifizieren, die homolog zu Tubulin (FtsZ, BtuA, BtuB und anderen), zu Actin (MreB und Mb1) und zu Zwischenfilamenten (CfoA) sind.

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