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Prokaryotische Zellen

Universelle Eigenschaften von Zellen. Eigenschaften von prokaryotischen Zellen. Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis.

Einführung

Nimm dir etwas Zeit und schau dich an. Wie viele Organismen kannst du sehen? Dein erster Gedanke ist vielleicht, dass du nur einen sehen kannst: dich selbst: Wenn du aber genauer hinschaust, auf die Oberfläche deiner Haut oder in deinen Verdauungstrakt, würdest du sehen, dass dort tatsächlich viele Organismen leben. Wirklich, du bist die Heimat von etwa 100 Billionen Bakterienzellen!
Dies bedeutet, dass dein Körper tatsächlich ein Ökosystem ist. Und es bedeutet, dass du—in einer erweiterten Definition des Wortes du—tatsächlich aus beiden Haupttypen von Zellen besteht: prokaryotischen und eukaryotischen.
Alle Zellen fallen in eine von diesen zwei groben Kategorien. Nur einzellige Organismen der Domänen Bakterien und Archaeen gehören zu den Prokaryoten—pro bedeutet vor und kary bedeutet Kern. Tiere, Pflanzen, Pilze und Protisten sind alle Eukaroyten—eu bedeutet echt—und bestehen aus eukaryotischen Zellen. Oft jedoch—wie im Fall von uns Menschen—hängen einige prokaryotische Freunde auf ihnen ab.

Bestandteile von prokaryotischen Zellen

Es gibt einige Hauptbestandteile, die eine Zelle benötigt, um eine Zelle zu sein, unabhängig davon, ob sie prokaryotisch oder eukaryotisch ist. Alle Zellen besitzen vier Hauptbestandteile:
  1. Die Zellmembran ist eine äußere Hülle, die das Innere der Zelle von ihrer Umgebung trennt.
  2. Das Cytoplasma besteht aus dem gelartigen Cytosol in der Zelle plus den darin gelösten zellulären Strukturen. Bei Eukaryoten umfasst das Cytoplasma konkret den Bereich außerhalb des Zellkerns und innerhalb der Zellmembran.
  3. Die DNA ist das genetische Material der Zelle.
  4. Ribosomen sind molekulare Maschinen, welche Proteine herstellen.
Trotz dieser Ähnlichkeiten unterscheiden sich Prokaryoten und Eukaryoten in einigen wichtigen Punkten. Ein Prokaryot ist ein einfacher, einzelliger Organismus, der keinen Zellkern und membrangebundene Organellen besitzt. Wir unterhalten uns im nächsten Artikel zu eukaryotischen Zellen ausführlicher über den Zellkern und die Organellen, aber was du dir im Moment merken solltest ist, dass prokaryotische Zellen nicht im Inneren durch Membranwände unterteilt sind, sondern aus einem einzelnen, offenen Raum bestehen.
Der Großteil der prokaryotischen DNA befindet sich in einem zentralen Bereich der Zelle, die Nukleoid genannt wird. Sie besteht in der Regel aus einer einzigen, großen Schlaufe, dem zirkulären Chromosom. Das Nukleoid und einige andere häufig vorkommende Eigenschaften von Prokaryoten sind in der Abbildung eines Schnitts durch ein stäbchenförmiges Bakterium unten gezeigt.
_Bildquelle: modifiziert nach "Prokaryotische Zellen: Abbildung 1", OpenStax College, Biologie, CC BY 3,0_
Bakterien sind in der Form sehr verschieden, sodass nicht jede Art Bakterium alle Eigenschaften besitzt, die in der Abbildung gezeigt werden.
Die meisten Bakterien sind jedoch von einer starren Zellwand umgeben, die aus Peptidoglycan, einem Polymer aus verknüpften Kohlenhydraten und kleinen Proteinen, besteht. Die Zellwand bietet eine zusätzliche Schutzschicht, hilft der Zelle, ihre Form beizubehalten, und verhindert eine Austrocknung. Viele Bakterien haben auch eine äußerste Schicht aus Kohlenhydraten, die Kapsel genannt wird. Die Kapsel ist klebrig und hilft der Zelle, an Oberflächen in ihrer Umgebung zu haften.
Einige Bakterien besitzen auch spezialisierte Strukturen auf der Zelloberfläche, welche ihnen dabei helfen, sich zu bewegen, an Oberflächen zu haften oder sogar genetisches Material mit anderen Bakterien auszutauschen. Flagellen sind zum Beispiel peitschenähnliche Strukturen, die als Drehmotor eine Bewegung der Bakterien ermöglichen.
Fimbrien sind zahlreiche, haarähnliche Strukturen, die für die Anhaftung an Wirtszellen und andere Oberflächen verwendet werden. Bakterien besitzen auch stäbchenförmige Strukturen, die Pili, welche in unterschiedlichen Varianten vorkommen. Einige Arten von Pili erlauben zum Beispiel einem Bakterium DNA-Moleküle auf andere Bakterien zu übertragen, während andere an der bakteriellen Fortbewegung beteiligt sind – sie helfen den Bakterien, sich zu bewegen.
Archaeen können auch die meisten dieser Zelloberflächenmerkmale besitzen, aber ihre Version eines bestimmten Merkmals unterscheidet sich in der Regel von der von Bakterien. Obwohl Archaeen zum Beispiel auch eine Zellwand besitzen, besteht diese nicht aus Peptidoglycan—obwohl sie Kohlenhydrate und Proteine ​​enthält.

Zellgröße

Typische prokaryotische Zellen haben einen Durchmesser von 0,1 bis 5,0 Mikrometer (μm) und sind deutlich kleiner als eukaryotische Zellen, welche normalerweise einen Durchmesser von 10 bis 100 μm haben.
Die folgende Abbildung zeigt die Größen von prokaryotischen, bakteriellen und eukaryotischen (pflanzlichen und tierischen) Zellen und andere Moleküle und Organismen auf einer logarithmischen Skala. Jede Einheit der Zunahme auf einer logarithmischen Skala stellt einen 10-fachen Anstieg des gemessenen Wertes dar. Wir reden hier also von enormen Größenunterschieden!
_Bildquelle: "Prokaryotische Zellen: Abbildung 2", OpenStax College, Biology, CC BY 3,0_
Mit ein paar coolen Ausnahmen—schau dir die einzellige Alge Caulerpa an—müssen Zellen ziemlich klein bleiben, unabhängig davon, ob sie prokaryotisch oder eukaryotisch sind. Warum muss das so sein? Die grundsätzliche Antwort ist, dass es mit zunehmender Größe der Zellen schwieriger wird, genügend Nähr- und Abfallstoffe mit ihrer Umgebung auszutauschen. Um zu sehen, wie dies funktioniert, sehen wir uns das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis einer Zelle an.
Stell dir vor, um es nicht zu schwer zu machen, dass wir eine würfelförmige Zelle haben. Einige Pflanzenzellen sind in der Tat würfelförmig. Wenn die Länge einer der Seiten des Würfels l beträgt, ist die Oberfläche des Würfels 6l2 und das Volumen des Würfels l3. Dies bedeutet, dass die Fläche mit zunehmender Größe von l schnell zunimmt, da sie sich um das Quadrat von l ändert. Das Volumen wird jedoch noch schneller zunehmen, da sie sich um die dritte Potenz von l ändert.
Wenn eine Zelle also größer wird, sinkt ihr Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis. Zum Beispiel hat die würfelförmige Zelle auf der linken Seite ein Volumen von 1 mm3 und eine Fläche von 6 mm2 mit einem Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von sechs zu eins, während die würfelförmige Zelle auf der rechten Seite ein Volumen von 8 mm3 und eine Oberfläche von 24 mm2 mit einem Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von drei zu eins hat.
_Bildquelle: modifiziert nach "Prokaryotische Zellen: Abbildung 3", OpenStax College, Biologie, CC BY 3,0_
Das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis ist wichtig, da die Plasmamembran die Schnittstelle der Zelle mit der Umgebung darstellt. Wenn die Zelle Nährstoffe aufnehmen muss, muss sie dies über die Membran tun, und wenn sie Abfallstoffe beseitigen muss, ist die Membran wiederum der einzige Weg.
Jeder Membranabschnitt kann in einem bestimmten Zeitraum zum Beispiel nur eine bestimmte Menge einer Substanz austauschen, weil er eine begrenzte Anzahl von Kanälen enthält. Wenn die Zelle zu groß wird, hat ihre Membran nicht genug Austauschkapazität (Oberfläche, quadratische Funktion), um die Austauschrate zu unterstützen, die für ihre erhöhte metabolische Aktivität erforderlich ist (Volumen, Würfelfunktion).
Das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis-Problem ist nur eines von mehreren miteinander zusammenhängenden Schwierigkeiten, die durch eine große Zellgröße verursacht werden. Wenn Zellen größer werden, dauert es auch länger, um Materialien in ihnen zu transportieren. Diese Überlegungen stellen eine allgemeine Obergrenze für die Zellgröße dar, wobei eukaryotische Zellen in der Lage sind aufgrund ihrer strukturellen und metabolischen Merkmale größer als prokaryotische Zellen zu werden - was wir uns im nächsten Abschnitt anschauen werden.
Einige Zellen verwenden auch geometrische Tricks, um das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis-Problem zu umgehen. Zum Beispiel sind einige Zellen lang und dünn oder haben viele Ausstülpungen ihrer Oberfläche, Merkmale, die die Oberfläche im Vergleich zu Volumen vergrößern.2

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