Bakterienzelle im Vergleich zur eukaryotischen Zelle
Wie eine Bakterienzelle aufgebaut ist und worin sie sich von Pflanzen-, Tier- und Pilzzellen unterscheidet: Nucleoid, 70S-Ribosomen, fehlende Organellen und Cytoplasmamembran.
Das Wichtigste in Kürze
- Bakterien sind Prokaryoten: Ihre Zelle hat keinen Zellkern und keine Kernmembran, ist wenig kompartimentiert und mit etwa 0,5 bis 5 µm kleiner als eukaryotische Zellen, aber im Lichtmikroskop sichtbar.
- Die DNA liegt im Nucleoid, meist als ein einziges ringförmiges Chromosom, und ist ohne Histone und Nucleosomen verpackt; einen Nucleolus gibt es nicht.
- Bakterien besitzen ausschließlich 70S-Ribosomen aus 50S- und 30S-Untereinheit; 70S-Ribosomen kommen auch in Mitochondrien und Plastiden der Eukaryoten vor.
- Bakterien fehlen Mitochondrien, Plastiden, ER und Golgi-Apparat sowie Mikrotubuli, Centriolen und Spindelapparat.
- Die Cytoplasmamembran aus Phospholipiden und Proteinen ist bei Bakterien wie bei Eukaryoten vorhanden und trägt bei Prokaryoten die Atmungskette.
Worum es geht
Bakterienzellen sind einfacher gebaut als die Zellen von Pflanzen, Tieren und Pilzen. Gerade diese Unterschiede nutzt die Pharmazie: Viele Antibiotika greifen an Strukturen an, die nur Bakterien besitzen, etwa an ihren 70S-Ribosomen. Wer den Zellbau kennt, versteht deshalb auch, warum solche Wirkstoffe selektiv wirken.
Bakterien als Prokaryoten
Nach dem Bau ihrer Zellen teilt man Lebewesen in zwei Gruppen. Eukaryoten wie Pflanzen, Tiere und Pilze haben einen echten Zellkern. Prokaryoten haben keinen. Bakterien gehören ausnahmslos zu den Prokaryoten, ihre Zelle heißt auch Procyte.
Ein Prokaryot ist ein Organismus, dessen Zelle keinen Zellkern und keine Kernmembran besitzt. Seine DNA liegt frei im Cytoplasma.
Das Erbgut ist also nicht durch eine Kernhülle vom Rest der Zelle getrennt. Auch sonst ist die Bakterienzelle kaum in Reaktionsräume unterteilt. Sie ist weniger kompartimentiert, die meisten Stoffwechselwege laufen im selben Cytoplasma ab. Eine eukaryotische Zelle gleicht dagegen einem Gebäude mit vielen abgeschlossenen Räumen.
Bakterien sind typischerweise kleiner als eukaryotische Zellen. Die meisten messen etwa 0,5 bis 5 µm, Escherichia coli etwa 1 × 2 µm. Tier- und Pflanzenzellen erreichen meist 10 bis 100 µm. Im Lichtmikroskop sind Bakterien trotzdem gut erkennbar, denn seine Auflösungsgrenze liegt bei etwa 0,2 µm. Eine Größe im Nanometerbereich wäre dagegen kleiner als ein einzelnes Ribosom.
Zu den Prokaryoten zählen der Nitrifizierer Nitrosomonas, die Cyanobakterien und die Gattung Streptomyces. Diese bildet zwar pilzähnliche Fäden, ist aber ein Bakterium (Streptomyces). Anders Penicillium: Er liefert ebenfalls ein Antibiotikum, ist aber ein Pilz und damit ein Eukaryot.
Nucleoid und Genom
Die DNA der Bakterien liegt in einem unregelmäßig geformten Bereich des Cytoplasmas. Diesen Bereich nennt man Nucleoid oder Kernäquivalent, weil er die Aufgabe des Kerns übernimmt, ohne einer zu sein.
Das Nucleoid ist die DNA-haltige Region der Bakterienzelle. Es ist nicht von einer Membran umhüllt und enthält das Bakterienchromosom.
Das Genom besteht wie bei allen Zellen aus DNA. Eine typische Bakterienzelle besitzt ein einziges Chromosom. Es ist meist ein ringförmig geschlossener DNA-Doppelstrang, so auch bei E. coli. Damit der lange Ring in die winzige Zelle passt, ist er zusätzlich verdrillt. Bakterielle DNA liegt daher ringförmig oder superhelikal vor.
Eukaryoten verpacken ihre DNA anders. Sie wickeln sie um Histone und bilden so Nucleosomen, die Grundeinheit des Chromatins. Im Nucleoid fehlen Histone und Nucleosomen. Die Verdichtung leisten hier die Superspiralisierung und histonähnliche Proteine. Einen Nucleolus haben Bakterien ebenfalls nicht. Dieses Kernkörperchen baut bei Eukaryoten die Ribosomen-Untereinheiten zusammen.
Das Bakteriengenom ist typischerweise viel kleiner als das eukaryotische. E. coli kommt mit etwa 4,6 Millionen Basenpaaren aus, der Mensch hat rund 3 Milliarden je haploidem Satz. Neben dem Chromosom können Bakterien kleine zusätzliche DNA-Ringe enthalten, die Plasmide.
70S-Ribosomen
Ribosomen sind die Orte der Proteinbiosynthese (Bau der Ribosomen). Jede Zelle braucht sie, also besitzen auch alle Bakterien Ribosomen. Sie liegen frei im Cytosol oder sitzen an der Innenseite der Cytoplasmamembran.
Bakterien haben ausschließlich Ribosomen vom 70S-Typ. Das S steht für Svedberg, die Einheit des Sedimentationskoeffizienten in der Ultrazentrifuge. Ein 70S-Ribosom besteht aus einer großen 50S- und einer kleinen 30S-Untereinheit. Das gilt für alle Bakterien, etwa für Staphylococcus, Streptomyces und Cyanobakterien. 80S-Ribosomen kommen bei Prokaryoten nicht vor.
50S plus 30S ergibt 70S, weil die Sedimentation von Masse und Form abhängt. Die Paarung 30S und 40S gibt es nicht: 30S ist die bakterielle, 40S die eukaryotische kleine Untereinheit.
Im Cytosol eukaryotischer Zellen liegen die größeren 80S-Ribosomen. Trotzdem ist der 70S-Typ kein reines Bakterienmerkmal. Mitochondrien und Plastiden besitzen eigene 70S-Ribosomen, ein Erbe ihrer bakteriellen Vorfahren (Endosymbiontentheorie, Proteinbiosynthese der Organellen). Eine pflanzliche Parenchymzelle enthält also beide Typen, die Bakterienzelle nur einen.
| Merkmal | 70S-Ribosom | 80S-Ribosom |
|---|---|---|
| Große Untereinheit | 50S mit 23S- und 5S-rRNA | 60S mit 28S-, 5,8S- und 5S-rRNA |
| Kleine Untereinheit | 30S mit 16S-rRNA | 40S mit 18S-rRNA |
| Vorkommen | Bakterien, Mitochondrien, Plastiden | Cytosol der Eukaryoten |
Für die Proteinbiosynthese brauchen Bakterien alle drei RNA-Sorten. Die rRNA baut die Ribosomen auf, die mRNA liefert die Bauanleitung, die tRNA bringt die Aminosäuren. Das gilt für grampositive wie gramnegative Bakterien. Gramnegative besitzen außerhalb des Mureins eine äußere Membran (Zellwandtypen). Dort sitzen keine Ribosomen, denn Proteine entstehen nur im Cytoplasma.
Pharmazeutisch zählt dieser Unterschied. Tetracycline und Makrolide hemmen bakterielle Ribosomen und verschonen das cytosolische 80S-Ribosom des Menschen. Manche Nebenwirkungen erklären sich über die mitochondrialen 70S-Ribosomen.
Ein Examensklassiker: Bakterien besitzen ausschließlich 70S-Ribosomen aus 50S- und 30S-Untereinheit, niemals 80S-Ribosomen. Achte darauf, dass 70S-Ribosomen auch in eukaryotischen Zellen vorkommen, nämlich in Mitochondrien und Plastiden.
Fehlende Organellen und Cytoskelett
Den Bakterien fehlen die membranumhüllten Organellen der Eukaryoten. Ihre Aufgaben übernimmt die Zelle auf einfachere Weise. Die Atmung läuft an der Cytoplasmamembran, die Photosynthese der Cyanobakterien an Thylakoiden, die frei im Cytoplasma liegen und nicht in Plastiden.
Auch das Endomembransystem aus ER, Golgi-Apparat und Vesikeln ist typisch eukaryotisch (Membranfluss). Bei Eubakterien ist es höchstens schwach ausgeprägt. Intrazelluläre Doppelmembranen wie Kernhülle oder Mitochondrienhülle gibt es nur bei Eukaryoten. Die zwei Membranen gramnegativer Bakterien gehören dagegen zur Zellhülle und liegen nicht im Zellinneren.
Ebenso fehlt das eukaryotische Cytoskelett. Bakterien enthalten kein Tubulin und bilden keine Mikrotubuli. Ohne Mikrotubuli gibt es auch keine Centriolen und keinen Spindelapparat. Ihr Chromosom verteilen sie bei der Teilung ohne Spindel. Aktinfilamente fehlen ebenfalls. Bakterien besitzen aber entfernt verwandte Proteine wie FtsZ für die Zellteilung.
| Struktur | Eukaryotische Zelle | Bakterienzelle |
|---|---|---|
| Zellkern mit Kernhülle und Nucleolus | vorhanden | fehlt, DNA im Nucleoid |
| Mitochondrien | vorhanden | fehlen |
| Plastiden (Chloroplasten, Leukoplasten) | bei Pflanzen | fehlen |
| ER, Golgi-Apparat (Dictyosomen) | vorhanden | fehlen |
| Mikrotubuli, Centriolen, Spindelapparat | vorhanden, Centriolen v. a. bei Tieren | fehlen |
| Aktinfilamente | vorhanden | fehlen |
| Cytosolische Ribosomen | 80S | 70S |
| Plasmamembran | vorhanden | vorhanden |
Cytoplasmamembran und Atmungskette
Eine Struktur teilen Bakterien mit allen Zellen: die Cytoplasmamembran, auch Plasma- oder Zellmembran genannt. Sie umschließt das Cytoplasma und trennt es von Zellwand und Umgebung.
Die Cytoplasmamembran ist die Biomembran, die das Cytoplasma der Bakterienzelle umgibt. Sie ist eine Lipiddoppelschicht aus Phospholipiden mit eingelagerten Proteinen.
Ihr Bau folgt dem Grundprinzip aller Biomembranen. Phospholipide bilden die Doppelschicht, Proteine übernehmen Transport und Enzymfunktionen. Dass Bakterienzellen genau wie eukaryotische Zellen, etwa pflanzliche Parenchymzellen, eine Plasmamembran besitzen, wird im Examen gerne gefragt. Sie gehört also auf die Liste der gemeinsamen Merkmale, nicht auf die der fehlenden.
Weil Mitochondrien fehlen, übernimmt die Cytoplasmamembran deren Rolle in der Energiegewinnung. Die Komplexe der Atmungskette sind fest in ihr verankert. Hier läuft der Elektronentransport ab, wie bei Eukaryoten in der inneren Mitochondrienmembran. Dabei pumpen die Komplexe \(\ce{H+}\) nach außen, bei gramnegativen Bakterien in den periplasmatischen Raum. Strömen die Protonen durch die ATP-Synthase zurück, entsteht ATP im Cytoplasma. Den Mechanismus erklärt die Einheit zur Atmungskette.
Das Periplasma ist demnach nur der Auffangraum für die Protonen, nicht der Ort der Atmung. Frei gelöste Enzyme im Cytoplasma können die Atmungskette ebenfalls nicht tragen. Ein Protonengradient entsteht nur an einer geschlossenen Membran. Lipideinschlüsse dienen lediglich als Speicher, und Nucleosomen besitzen Bakterien ohnehin nicht.
Quiz
Aussage 1
Im Nucleoid ist die bakterielle DNA um Histone gewickelt und zu Nucleosomen verpackt.
Das Nucleoid enthält weder Histone noch Nucleosomen. Die DNA wird durch Superspiralisierung und histonähnliche Proteine verdichtet.
Aussage 2
Ein bakterielles Ribosom setzt sich aus einer 30S- und einer 40S-Untereinheit zusammen.
Das bakterielle 70S-Ribosom besteht aus einer 50S- und einer 30S-Untereinheit. Die 40S-Untereinheit gehört zum eukaryotischen 80S-Ribosom.
Aussage 3
Eine typische Bakterienzelle besitzt ein einziges, meist ringförmiges Chromosom aus doppelsträngiger DNA.
Das Bakterienchromosom ist meist ein ringförmiger DNA-Doppelstrang, der im Nucleoid liegt, so etwa bei E. coli.
Aussage 4
Bei Prokaryoten ist die Atmungskette in der Cytoplasmamembran lokalisiert.
Da Mitochondrien fehlen, sitzen die Komplexe der Atmungskette und die ATP-Synthase in der Cytoplasmamembran.
Aussage 5
Auch eukaryotische Zellen enthalten 70S-Ribosomen, nämlich in Mitochondrien und Plastiden.
Mitochondrien und Plastiden besitzen als Erbe ihrer bakteriellen Vorfahren eigene 70S-Ribosomen.
Aussage 6
Der Elektronentransport der bakteriellen Atmungskette läuft im periplasmatischen Raum ab.
Der Elektronentransport findet in der Cytoplasmamembran statt. Das Periplasma nimmt nur die gepumpten Protonen auf.
Aussage 7
Penicillium zählt als Antibiotikabildner zu den Prokaryoten.
Penicillium ist ein Pilz und damit ein Eukaryot. Prokaryotische Antibiotikabildner sind dagegen die Bakterien der Gattung Streptomyces.
Aussage 8
Bakterienzellen besitzen eine Plasmamembran, die aus Phospholipiden und Proteinen aufgebaut ist.
Die Cytoplasmamembran ist bei Bakterien wie bei eukaryotischen Zellen vorhanden und eine Lipiddoppelschicht mit eingelagerten Proteinen.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.