Prokaryoten: Kleine Mikroorganismen ohne Zellkern

Prokaryoten sind eine Gruppe von Lebewesen, die keinen echten Zellkern besitzen. Sie umfassen Bakterien und Archaeen und unterscheiden sich grundlegend von Eukaryoten, deren Zellen einen echten Kern haben. Diese kleinen, einzelligen Organismen spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Lebensräumen und haben sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf die Umwelt und den Menschen. In diesem Artikel werden wir uns näher mit den Prokaryoten befassen und ihre Merkmale sowie ihre Bedeutung für das Leben auf der Erde untersuchen.

Was sind Prokaryoten und wie unterscheiden sie sich von Eukaryoten?

Prokaryoten sind kleine Mikroorganismen, die nur aus einer einzigen Zelle bestehen. Sie sind nur wenige µm groß und können als kleine runde Kokken oder ovale Bazillen vorgestellt werden. Das wichtigste Merkmal ist jedoch, dass sie keinen Zellkern besitzen.

Im Gegensatz dazu bestehen Eukaryoten aus komplexeren Zellen, die einen Zellkern enthalten. Diese Zellen können in Pflanzen, Tieren, Pilzen und Protisten gefunden werden. Eukaryoten sind größer als Prokaryoten und haben eine Vielzahl von Organellen wie Mitochondrien und Golgi-Apparat.

Ein weiterer Unterschied besteht in der Proteinbiosynthese. Bei Eukaryoten findet die Translation, also die Übersetzung von mRNA zu Aminosäuresequenzen, im Cytoplasma statt. In Prokaryoten hingegen findet die Proteinbiosynthese direkt im Zytoplasma statt.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Prokaryoten einfacher aufgebaute Zellen ohne Zellkern sind, während Eukaryoten komplexere Zellen mit einem gut definierten Zellkern besitzen. Die Proteinbiosynthese erfolgt auch auf unterschiedliche Weise in den beiden Gruppen von Organismen.

Der Aufbau einer prokaryotischen Zelle: DNA, Ribosomen und Zellmembran

Prokaryoten sind einzellige Mikroorganismen ohne Zellkern. Sie bestehen aus einer einzelnen Zelle, die nur wenige µm groß ist. Ein charakteristisches Merkmal von Prokaryoten ist, dass sie keinen Zellkern besitzen. Stattdessen schwimmt die DNA frei im Zellplasma. Die prokaryotische DNA ist ringförmig und besteht aus einem Doppelstrang. Im Gegensatz zu Eukaryoten haben Prokaryoten einen haploiden Chromosomensatz, d.h. jedes Chromosom kommt nur einmal vor.

Neben der Ring-DNA können Prokaryoten auch Plasmide besitzen. Diese kleinen ringförmigen DNA-Strukturen enthalten zusätzliche Erbinformationen und können zwischen Prokaryoten ausgetauscht werden. Ribosomen sind für die Proteinbiosynthese verantwortlich und bestehen aus Proteinen sowie ribosomaler RNA (rRNA). Bei Prokaryoten handelt es sich um 70S Ribosomen, die aus einer großen Untereinheit (50S) und einer kleinen Untereinheit (30S) bestehen.

Die Zellmembran von Prokaryoten ermöglicht den Stoffaustausch mit der Umwelt. Sie besteht aus einer Lipiddoppelschicht mit eingebauten Proteinen und Kohlenhydraten. Es gibt Unterschiede in den Zellmembranen zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien. Grampositive Bakterien haben zwei Zellmembranen (außen und innen eine Lipiddoppelschicht), während gramnegative Bakterien nur eine Zellmembran besitzen.

Die Zellwand von Prokaryoten besteht aus dem Peptidoglykan Murein. Sie schützt die Zelle vor äußeren Einflüssen und sorgt für Stabilität und Form. Grampositive Bakterien haben eine dickere Mureinschicht als gramnegative Bakterien. Die Archaeen, eine Gruppe von Prokaryoten, haben keine Murein in ihrer Zellwand, sondern ein ähnliches Strukturprotein namens Pseudomurein.

Zusätzlich zu den oben genannten Bestandteilen können prokaryotische Zellen auch Mesosomen enthalten. Diese Einstülpungen der inneren Plasmamembran enthalten Enzyme und sind Orte spezieller Enzymreaktionen. Geißeln (Flagellen) dienen der Fortbewegung von Prokaryoten und sind außerhalb der Zelle verankert.

Die Genregulation bei Prokaryoten findet hauptsächlich bei der Transkription statt. Das Operon-Modell von Jacob und Monod beschreibt, wie die Transkription beeinflusst wird. Ein Operon besteht aus einem Promotor, einem Operator und den Strukturgenen. Der Repressor spielt dabei eine wichtige Rolle und kann die Transkription blockieren oder ermöglichen, je nachdem ob er aktiv oder inaktiv ist.

Dieser Aufbau einer prokaryotischen Zelle zeigt deutliche Unterschiede zu eukaryotischen Zellen, insbesondere im Hinblick auf den fehlenden Zellkern und die Organisation der DNA sowie die Struktur der Zellmembran und Zellwand.

Die Bedeutung der Zellwand bei Prokaryoten

Die Zellwand spielt eine wichtige Rolle für Prokaryoten. Sie dient zum Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen und sorgt für Stabilität und Form der Zelle. Die prokaryotische Zellwand besteht aus dem Peptidoglykan Murein, das aus vielen Kohlenhydraten besteht, die netzartig angeordnet sind. Diese Struktur verleiht Bakterien Festigkeit und Form.

Es gibt jedoch einen entscheidenden Unterschied zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien in Bezug auf ihre Zellwände. Grampositive Bakterien haben eine dickere Mureinschicht als gramnegative Bakterien. Die Plasmamembran und die Periplasmaschicht zum Inneren hin sind bei beiden gleich. Gramnegative Zellwände haben eine schmalere Mureinschicht, bestehen jedoch aus zwei Plasmamembranen und zwei Periplasmaschichten.

Die Archaeen haben ebenfalls eine Zellwand, die jedoch kein Murein enthält. Einige Archaeen-Gruppen enthalten eine Art von Murein in ihren Zellwänden, das als Pseudomurein bezeichnet wird. Es ist funktionell sehr ähnlich wie Murein.

Die Zellwand ist also ein wesentlicher Bestandteil der prokaryotischen Zelle und trägt zur Stabilität und Formgebung bei, während sie gleichzeitig Schutz vor äußeren Einflüssen bietet.

Wie findet die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten statt?

Die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten findet hauptsächlich in den Ribosomen statt. Ribosomen sind aus Proteinen aufgebaut und spielen eine entscheidende Rolle bei der Übersetzung von mRNA in Aminosäuresequenzen. Bei der Translation werden die Erbinformationen, die in der mRNA enthalten sind, von den Ribosomen in Aminosäureketten umgewandelt.

Prokaryoten besitzen normalerweise 70S Ribosomen, die aus einer großen Untereinheit (50S) und einer kleinen Untereinheit (30S) bestehen. Diese Ribosomen befinden sich frei im Zellplasma und sind nicht durch eine Membran abgetrennt.

Die Proteinbiosynthese beginnt mit der Bindung der kleinen Untereinheit des Ribosoms an die mRNA. Anschließend wird die große Untereinheit des Ribosoms gebunden und die tRNA-Moleküle bringen die passenden Aminosäuren zur Bindungsstelle auf dem Ribosom. Die Aminosäuren werden dann miteinander verknüpft, um eine Polypeptidkette zu bilden.

Dieser Prozess wiederholt sich, bis das gesamte mRNA-Molekül abgelesen wurde und das Protein vollständig synthetisiert ist. Nach der Proteinbiosynthese kann das neu synthetisierte Protein seine spezifische Funktion in der Zelle ausüben.

Es ist wichtig zu beachten, dass Prokaryoten keine abgetrennten Kompartimente innerhalb der Zelle haben. Alle Zellbestandteile, einschließlich der Ribosomen, schwimmen frei im Zellplasma. Dadurch findet die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten im gesamten Zellplasma statt.

Genregulation bei Prokaryoten: Das Operon-Modell von Jacob und Monod

Das Operon-Modell von Jacob und Monod ist das Modell für die Genregulation bei Prokaryoten. Es beschreibt, wie die Transkription bei Prokaryoten beeinflusst wird. Ein Operon besteht aus drei Teilen: dem Promotor, dem Operator und den Strukturgenen. Der Promotor ist die Gensequenz auf der DNA, bei der die RNA-Polymerase binden kann. Einige Gensequenzen vor dem Operon befindet sich ein Regulatorgen, das den Repressor codiert. Der Repressor verhindert im aktiven Zustand die Transkription des Gens. Im aktiven Zustand bindet der Repressor am Operator, was die Transkription blockiert. Ist der Repressor inaktiv, kann die Transkription ganz normal ablaufen.

Bei der prokaryotischen Genregulation gibt es zwei Möglichkeiten: die Substratinduktion und Endproduktrepression. Ein beliebtes Beispiel für die Substratinduktion ist das lac-Operon, das für abbauende Enzyme von Lactose codiert. Die Funktionsweise kannst du in der unten stehenden Abbildung nachvollziehen.

Wenn keine Lactose vorhanden ist, müssen auch keine abbauenden Enzyme produziert werden. Bei der Substratinduktion wird der Repressor bereits aktiv vom Regulatorgen synthetisiert, sodass der Repressor bei Abwesenheit von Lactose automatisch die Transkription der Lactose-abbauenden Enzyme hemmt. Ist Lactose im Organismus vorhanden, bindet Lactose an den aktiven Repressor und inaktiviert ihn dadurch. Somit kann der Repressor die Transkription nicht mehr blockieren und Lactose abbauende Enzyme können synthetisiert werden. Daraufhin wird Lactose abgebaut. Ist Lactose abgebaut und nicht mehr vorhanden, wird der Repressor wieder aktiv, da Lactose den Repressor nicht mehr blockiert. Dann hemmt der Repressor die RNA-Polymerase wieder und es werden keine Enzyme mehr produziert.

Im Gegensatz zur Substratinduktion liegt der Repressor inaktiv vor, wenn kein Substrat vorhanden ist. Bei der Endproduktrepression geht es aber nicht um Herstellung von abbauenden Enzymen, sondern um Gene, die ein Produkt codieren. In diesem Fall ist das Endprodukt der Transkription eine Aminosäure: Tryptophan. Hierbei ist das Tryptophan-Operon ein bekanntes Beispiel, das du bestimmt auch aus dem Unterricht kennst.

Ein Substrat ist ein Stoff, das von Enzymen umgesetzt wird. Das bedeutet, dass Enzyme beispielsweise Substrate spalten oder auch zusammenfügen können. Wenn das Substrat vom Enzym umgesetzt wurde, spricht man von einem Produkt. Das Substrat wird nach Enzymbindung also zu einem Produkt.

Wenn der Repressor inaktiv vorliegt, wird ständig Tryptophan produziert. Erst wenn hohe Mengen an Tryptophan vorliegen, bindet Tryptophan an den Repressor und aktiviert ihn dadurch. Die Bindung von Tryptophan an den Repressor führt zu einer Konformationsänderung des Repressors, sodass er an den Operator binden kann und somit die Transkription stoppt. Konformationsänderung bedeutet, dass sich die Struktur eines Proteins durch Bindung eines anderen Stoffes so verändert, dass bestimmte Funktionen nicht mehr, oder erst dann durchgeführt werden können. Beispielsweise wird durch Konformationsänderung die Struktur eines Enzyms so verändert, dass es seine katalytische Aktivität verliert.

Die Genregulation bei Prokaryoten ist also ein komplexer Vorgang, der über das Operon-Modell von Jacob und Monod gesteuert wird. Durch diese Regulation kann der Organismus auf unterschiedliche Umweltbedingungen reagieren und seine Genexpression anpassen.

Unterschiede zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien

Zellwand:

– Grampositive Bakterien haben eine dickere Mureinschicht als gramnegative Bakterien.
– Die Zellwände der grampositiven Bakterien bestehen aus einer Lipiddoppelschicht, während die der gramnegativen Bakterien aus zwei Plasmamembranen und zwei Periplasmaschichten bestehen.

Gramfärbung:

– Bei der Gramfärbung behalten die dickeren Mureinschichten der grampositiven Bakterien ihre Farbe, während die dünnen Mureinschichten der gramnegativen Bakterien die Farbe verlieren.

Zellmembran:

– Grampositive und gramnegative Bakterien haben beide eine Zellmembran, jedoch unterschiedliche Aufbauten.

Periplasmaschicht:

– Die Periplasmaschicht ist bei beiden Arten gleich, jedoch haben grampositive Bakterien nur eine Plasmamembran, während gramnegative Bakterien zwei Plasmamembranen besitzen.

Murein in Zellwänden:

– Die Zellwand von Prokaryoten besteht aus dem Peptidoglykan Murein.
– Archaeen haben normalerweise keine Murein in ihren Zellwänden, aber einige Gruppen können Pseudomurein enthalten.

Farbauswascheffekt:

– Der Farbauswascheffekt tritt bei der Gramfärbung aufgrund des Unterschieds in den Mureinschichten auf.
– Bei gramnegativen Bakterien wird die Farbe ausgewaschen, da ihre Mureinschicht dünn ist.

Stabilität und Form:

– Die Zellwand sorgt bei beiden Arten für Stabilität und Form der Zelle.
– Die dickere Mureinschicht der grampositiven Bakterien verleiht ihnen eine größere Stabilität.

Zellgröße:

– Grampositive und gramnegative Bakterien können in ihrer Größe variieren, jedoch sind gramnegative Bakterien oft größer als grampositive Bakterien.

Zusammenfassend sind Prokaryoten eine Gruppe von einzelligen Organismen, die keine echten Zellkerne besitzen und sich durch ihre einfache Zellstruktur auszeichnen. Sie spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Ökosystemen und haben sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf den Menschen. Das Verständnis der Prokaryoten ist entscheidend für die Erforschung des Lebens und der Evolution auf unserem Planeten.