Prokaryoten

Prokaryoten Aufbau

Wie schon erwähnt, besitzen Prokaryoten keinen Zellkern und bestehen nur aus einer Zelle. Der Aufbau einer prokaryotischen Zelle wird hier anhand von einer Bakterienzelle erklärt.

Abbildung 1: Aufbau einer BakterienzelleQuelle: planet-wissen.de

DNA

Die prokaryotische DNA ist ringförmig und besteht aus einem Doppelstrang. Prokaryoten haben einen haploiden Chromosomensatz, d. h. sie besitzen jedes Chromosom nur einmal. Die Ring-DNA schwimmt wie jeder Zellbestandteil von Prokaryoten frei im Zellplasma.

Außer der Ring-DNA besitzen viele Prokaryoten auch noch Plasmide. Das sind kleine ringförmige DNA-Strukturen, die zusätzliche Erbinformationen enthalten. Diese Plasmide können zwischen Prokaryoten ausgetauscht und unabhängig von der großen Ring-DNA repliziert werden. Es handelt sich also um nicht-chromosomale Erbinformationen.

Ribosomen

Ribosomen sind aus Proteinen aufgebaut und hauptsächlich an der Proteinbiosynthese beteiligt. Genauer gesagt synthetisieren Ribosomen bei der Translation, d. h. der Übersetzung von mRNA zu Aminosäuresequenzen, Aminosäureketten. Ribosomen haben auch eine ribosomale RNA, auch rRNA genannt.

Ribosomen bestehen normalerweise immer aus zwei Untereinheiten. Bei Prokaryoten handelt es sich um 70S Ribosomen, die aus einer großen Untereinheit 50S und einer kleinen Untereinheit 30S bestehen.

Zellmembran

Auch Prokaryoten sind von einer Zellmembran umschlossen, die den Stoffaustausch mit der Umwelt ermöglicht. Die Zellmembran von Prokaryoten ist aus einer Lipiddoppelschicht aufgebaut, in der Proteine und Kohlenhydrate eingebaut sind.

Die Zellmembranen zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien unterscheiden sich. Grampositive Bakterien haben 2 Zellmembranen (außen und innen eine Lipiddoppelschicht), während gramnegative Bakterien nur eine Zellmembran besitzen.

Zellwand

Die Zellwand von Prokaryoten unterscheidet sich wesentlich von pflanzlichen Zellwänden. Während pflanzliche Zellwände aus Cellulose aufgebaut sind, besteht die prokaryotische Zellwand aus dem Peptidoglykan Murein. Die Zellwand dient zum Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen und sorgt für Stabilität und Form der Zelle.

Auch hier gibt es wieder einen entscheidenden Unterschied zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien, wie du unten sehen kannst:

Abbildung 2: Zellwand BakterienQuelle: pharmawiki.ch

Grampositive Zellwand

Die Zellwand von grampositiven Bakterien hat eine dickere Mureinschicht als die von gramnegativen Bakterien. Die Plasmamembran und die Periplasmaschicht zum Inneren hin sind bei grampositiven und gramnegativen Bakterien gleich. Allerdings haben Grampositive nur eine Plasmamembran (Zellmembran).

Gramnegative Zellwand

Gramnegative Zellwände haben eine schmalere Mureinschicht als grampositive Bakterien. Im Gegenzug bestehen gramnegative Zellwände aus zwei Plasmamembranen und zwei Periplasmaschichten.

Die Zellwände der Archaeen enthalten kein Murein. Jedoch gibt es Archaeen-Gruppen, die eine Art von Murein in ihren Zellwänden beinhalten: das sogenannte Pseudomurein. Es wird so genannt, weil es Murein funktionell sehr ähnlich ist.

Mesosomen

Mesosomen sind Einstülpungen der inneren Plasmamembran. Mesosomen enthalten Enzyme und sind deshalb Orte spezieller Enzymreaktionen. Beispielweise läuft in den Mesosomen die Zellatmung ab. Allerdings wird diskutiert, ob Mesosomen überhaupt als eigene Zellorganellen angesehen werden können.

Geißel

Geißeln, auch Flagellen genannt, sind Schwänze außerhalb der Zelle. Sie sind in der Zellwand verankert und haben eine Art Motor, durch den sich die Geißel bewegt. Somit dienen Geißeln der Fortbewegung der Prokaryoten. Durch die Rotation dieses Motors kommt die Geißel oder die Geißeln in Bewegung. Das kannst du dir wie bei einem Propeller vorstellen.

Genregulation bei Prokaryoten

Unter Genregulation versteht man allgemein die Genaktivität bzw. wie oft Gene bei der Proteinbiosynthese abgelesen werden. Demnach kann die Rate, mit der Gene abgelesen werden können, erhöht oder verringert werden.

Die Genregulation bei Prokaryoten findet hauptsächlich bei der Transkription statt.

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.

Substratinduktion

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.

Abbildung 3: Substratinduktion

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.

Endproduktrepression

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.

Abbildung 4: Endproduktrepression

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.

Das Wichtigste bei der Endproduktrepression ist, dass das Endprodukt, also Tryptophan, für die Kontrolle des Repressors zuständig ist. Daher kommt auch der Name: Das Endprodukt, also Tryptophan, unterdrückt (Repression) die Ablesung des Gens.

Proteinbiosynthese bei Prokaryoten

Bei Prokaryoten besteht die Proteinbiosynthese aus zwei Teilschritten: der Transkription und der Translation. Bei der Transkription wird die DNA in mRNA übersetzt. Bei der Translation werden mithilfe von Ribosomen aus mRNA Aminosäuresequenzen codiert, die sich schließlich zu einem Protein falten.

Die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten ist im Vergleich zur Proteinbiosynthese von Eukaryoten schneller und einfacher. Das liegt unter anderem daran, dass Prokaryoten eine Ring-DNA haben und es dadurch weniger kompliziert ist.

Dass die prokaryotische DNA nur aus Exons besteht, ist ein weiterer Grund, warum die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten schneller abläuft als bei Eukaryoten. Die eukaryotische DNA bildet sich hingegen aus Exons und Introns. Die Introns müssen bei der eukaryotischen Genmodifikation erst einmal herausgeschnitten werden, was ebenfalls Zeit beansprucht.

Bei Prokaryoten finden Transkription und Translation im Cytoplasma statt. Da die mRNA aus der Transkription nicht erst durch Kernporen in das Cytoplasma geschleust werden muss, können Transkription und Translation gleichzeitig ablaufen. Somit besteht keine räumliche und keine zeitliche Trennung der beiden Vorgänge.

Prokaryoten und Eukaryoten im Vergleich

Die wichtigsten Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen Pro- und Eukaryoten findest du im Folgenden zusammengefasst.

Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten

In der unten stehende Tabelle findest du die Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten:

Gemeinsamkeiten von Prokaryoten und Eukaryoten

Prokaryoten und Eukaryoten besitzen beide eine Zellmembran aus einer Lipiddoppelschicht. Eine Ausnahme sind dabei allerdings Archaeen, die keine Lipiddioppelschicht, sondern eine einfache Lipidschicht besitzen. Diese wird auch Monolayer genannt.

Auch wenn sich die Ribosomen zwischen Prokaryoten und Eukaryoten unterscheiden, besitzen beide Zellarten doch Ribosomen, was eine Gemeinsamkeit darstellt.