Eukaryoten und Prokaryoten PDF

1 CYTOLOGIE 1.1 EINLEITUNG Die grundlegenden strukturellen und funktionellen Einheiten jedes Lebewesens sind Zellen. Die meisten Zellen sind zwischen 1 und 100 μm groß und daher nur unter dem Mikroskop erkennbar. 1 Mikrometer (μm) = 10-3 mm =10-6 m. Ein Lichtmikroskop kann das Untersuchungsmaterial...

1 CYTOLOGIE 1.1 EINLEITUNG Die grundlegenden strukturellen und funktionellen Einheiten jedes Lebewesens sind Zellen. Die meisten Zellen sind zwischen 1 und 100 μm groß und daher nur unter dem Mikroskop erkennbar. 1 Mikrometer (μm) = 10-3 mm =10-6 m. Ein Lichtmikroskop kann das Untersuchungsmaterial bis zu ca. 1.000 Mal vergrößern. Neuere technische Verfahren erlauben es, den Kontrast zu verbessern und Zellkomponenten zu färben und zu bezeichnen. Die meisten subzellulären Strukturen einschließlich der von Membranen umgebenen Organellen sind zu klein, um über Lichtmikroskope sichtbar gemacht werden zu können. Vom Elektronenmikroskop (EM), das man für die Untersuchung subzellulärer Strukturen einsetzt, gibt es zwei Typen: Das Rasterelektronenmikroskop (REM) ist besonders geeignet für die detaillierte Betrachtung und Untersuchung von Oberflächen; seine Bilder haben räumlichen Charakter Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM oder auch Durchstrahlungselektronen- mikroskop) wird eingesetzt, um mithilfe eines Elektronenstrahls die innere Struktur des Materials zu erforschen. Abb. 1.1: Größenvergleiche -2 1 Zentimeter (cm) = 10 Meter (m) 1 Millimeter (mm) = 10-3 Meter 1 Mikrometer (μm) = 10-3 Millimeter =10-6 Meter 1 Nanometer (nm) = 10-3 Mikrometer = 10-9 Meter Größenangaben einiger Zellen: die meisten eukaryotischen Zellen (pflanzliche und tierische Zellen): 10 − 100 𝜇𝜇𝜇𝜇 Extreme: Menscheizelle 0,1 𝜇𝜇𝜇𝜇; Froscheizelle 1 𝜇𝜇𝜇𝜇; Afrikanischer Straußeneizelle 15 cm; menschliche Nervenzellen können über einen Meter lang werden die meisten prokaryotischen Zellen (Bakterien): 1 − 5 𝜇𝜇𝜇𝜇 Extreme: Thiomargarita namibiensis ist ein Schwefelbakterium mit einem Durchmesser von bis zu 0,75 𝜇𝜇𝜇𝜇, sie kommen ausschließlich an der Küste Namibias vor; Mycoplasmen 0,1 − 1,0 𝜇𝜇𝜇𝜇 Alle Zellen besitzen: Zell- od. Plasmamembran: diese trennt eine Zelle von der Außenseite. Zellmembranen fungieren als selektive Barriere, die den hinreichenden Durchtritt von Sauerstoff, Nährstoffen und Abfallprodukten gewährleisten und dadurch auch das Zellvolumen gleichbleibend hält. In jedem Fall verhindern sie aber, dass Moleküle von der einen Seite sich mit denen der anderen Seite vermischen. Cytoplasma: Inhalt der Zelle innerhalb der Plasmamembran inklusive Organellen (außerhalb des Zellkerns). 3  Cytosol: dies ist eine von der Zellmembran eingehüllte gelartige Flüssigkeit, in der viele biochemische Prozesse ablaufen; Teil des Cytoplasmas außerhalb der Organellen. Chromosomen: diese sind die Träger der Erbinformation in Form von DNA (in selten Fällen besitzen spezialisierte Zellen keine DNA z.B. rote Blutzellen). Ribosomen: diese sind große, im Elektronenmikroskop sichtbare Protein/RNA -Komplexe, an denen die Synthese der Proteine stattfindet. 1.2 PROKARYOTISCHE UND EUKARYOTISCHE ZELLEN Durch mikroskopische Beobachtungen war seit langem klar, dass Lebewesen aufgrund ihrer Zellstruktur in zwei Gruppen eingeteilt werden können: in Eukaryoten und Prokaryoten (auch Eukaryonten und Prokaryonten bezeichnet von gr. karyon = Kern). Eukaryotische Zellen (der Name kommt von griech. eu = richtig) sind kompartimentiert. Der Großteil des genetischen Materials (DNA) befindet sich in einem Zellkern, der von zwei Membranen (jede bestehend aus einer Lipiddoppelschicht) umgeben ist. Prokaryoten haben dagegen kein ausgesprochenes Kernkompartiment. Die DNA ist in einem Zellbereich im Inneren der Zelle konzentriert aber nicht von einer Membran umgeben. Abb. 1.2: Vergleich Eukaryont-Prokaryont 1.2.1 Die drei Hauptreiche (Domänen) der Lebewesen. Es gibt eine allgemeine Übereinkunft über die frühe Aufspaltung der drei grundlegenden Domänen in der Stammesgeschichte – Bakterien, Archaeen und Eukaryoten. Die beiden Organismendomänen Archaea und Bacteria sind Prokaryoten. Zu der dritten Domäne der Eukaryoten zählen Protisten (eine sehr heterogene ein- bis wenig-zellige Organismengruppe), und die großen Gruppen der Pilze, Pflanzen und Tiere. In eukaryotischen Zellen umschließen zusätzliche Membranen einzelne Organellen (= subzelluläre Strukturen, die bestimmte Funktionen in der Zelle durchführen). 1.2.2 Prokaryotische Zellen Prokaryotische Zellen, auch als Procyten bezeichnet, verfügen, wie schon erwähnt, über keinen Zellkern. Der Bereich, an der sich die DNA bei Prokaryoten befindet, wird auch als Nukleoid oder Kernäquivalent bezeichnet. Das Genom der meisten Prokaryoten besteht aus einem ringförmig angeordneten, doppelsträngigen Stück DNA. Man spricht auch vom sogenannten Bakterienchromosom. Manche Prokaryoten verfügen darüber hinaus über weitere DNA-Moleküle in Form von Plasmiden. Das sind ringförmige DNA-Moleküle mit meist nicht unbedeutenden genetischen Informationen, wie Antibiotika- oder Giftresistenzen. Plasmide können von Bakterium zu Bakterium transferiert und damit verbreitet werden, dieser Vorgang wird als Konjugation bezeichnet. Daraus erklärt sich die schnelle Verbreitung von Antibiotikaresistenzen in sogenannten Spitalskeimen. Die Cytoplasmamembran (Zell- od. Plasmamembran) ist eine dünne, leicht bewegliche Barriere, die die Zelle umgibt und das Cytoplasma von der Umgebung der Zelle trennt. Eine Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht mit eingebetteten Proteinen. Diese schützt durch Ihre Selektivität des Stofftransportes die Zelle vor einem Konzentrationsausgleich mit der Umgebung. Außerhalb der Plasmamembran befindet sich eine starre Zellwand, die die Zellmembran umgibt, sie gibt der Zelle die Form und eine gewisse Festigkeit. Diese starre Schichte, die sogenannte 4 Peptidoglykanschicht besteht aus Polysaccharidketten, gebildet aus Zuckerderivaten die durch Vernetzung mit wenigen verschiedenen Aminosäuren eine feste Struktur bilden. Funktionell schützt die Zellwand die Zelle vor dem Eindringen von z.B. Viren (Bakteriophagen) und verhindert ein Platzen, bedingt durch den erhöhten osmotischen Druck, der Zelle. Im Außenmilieu der Zelle liegt eine viel geringere Stoffkonzentration an gelösten Teilchen vor, als im Inneren der Zelle, damit würde Wasser aus der Umgebung in die Zelle eindringen und eine Zelle ohne starre Zellwand zum Platzen bringen. Umhüllt wird die gesamte Zelle zusätzlich von einer Schleimschicht aus Polysacchariden zum Schutz vor Austrocknung (Kapsel). Der grundlegende chemische Aufbau und die Struktur des genetischen Materials sind also in Prokaryoten und Eukaryoten gleich. Fimbrien und Pili (Singular: Pilus) sind filamentöse Strukturen, die aus Proteinen bestehen, die aus der Zelloberfläche herausragen und ganz unterschiedliche Funktionen innehaben können. Je nach Typus können sich Pili an andere Feststoffe- (um an einem günstigen Ort zu verweilen), Nährstoffe- (um Nahrung aus der Umgebung aufzunehmen) oder auch andere Bakterien (um Gentransfer durchzuführen) anheften. Nicht zu verwechseln mit den Pili ist indes das deutlich größere, auch aus Proteinen bestehende Flagellum, welches nur der Fortbewegung dient. Abb. 1.3: Schematische Darstellung einer Bakterienzelle 1.2.3 Eukaryotische Zellen Zusätzlich zu der die Zelle umhüllenden Plasmamembran besitzen Eukaryoten ein komplexes System an inneren Membranen, die die Zelle in Kompartimente (die bereits erwähnten Organellen) unterteilt. Diese innere Organisation schafft neue abgegrenzte Räume, in denen unterschiedliche Stoffwechselvorgänge ablaufen und die damit spezielle Aufgaben übernehmen. Auch hier gilt das allgemeine Prinzip der Beziehung zwischen Struktur und Funktion. So sind in allen eukaryotischen Zellen mit Ausnahme von hoch differenzierten und spezialisierten Zellen folgende membranumschlossene Organellen zu finden: der Zellkern das Endomembransystem (Äußere Kernmembran, Endoplasmatisches Reticulum, Golgi- Apparat, Lysosomen, Transportvesikel, Vakuole) Mitochondrien Chloroplasten (in Pflanzen und Grünalgen) Peroxisomen Zusätzlich sind in eukaryotischen Zellen noch folgende nicht-membranumschlossene Komponenten zu finden, deren Auftreten vom Spezialisierungsgrad der Zelle abhängig ist: 5  die Ribosomen (die auch in Prokaryoten in etwas unterschiedlicher Form vorkommen) verschiedene Cytoskelett Komponenten 1 Nukleolus (Kernkörperchen) 2 Zellkern (Nukleus) 3 Ribosomen 4 Vesikel 5 Raues ER (Endoplasmatisches Reticulum) 6 Golgi-Apparat 7 Mikrotubuli 8 Glattes ER (Endoplasmatisches Reticulum) 9 Mitochondrien 10 Lysosom 11 Cytoplasma 12 Peroxisomen 13 Zentriolenpaar Abb. 1.4: Schematische Darstellung einer eukaryotischen tierischen Zelle Abb. 1.5: Schematische Darstellung einer eukaryotischen pflanzlichen Zelle 6