Bestandteile von prokaryotischen Zellen

Alle Zellen haben vier gemeinsame Bestandteile: 1) eine Plasmamembran, eine äußere Hülle, die das Innere der Zelle von der Umgebung trennt; 2) Zytoplasma, bestehend aus einem gallertartigen Cytosol innerhalb der Zelle, in dem sich andere zelluläre Bestandteile befinden; 3) DNA, das genetische Material der Zelle; und 4) Ribosomen, die Proteine synthetisieren. Prokaryoten unterscheiden sich jedoch von eukaryotischen Zellen in mehrfacher Hinsicht.

Ein Prokaryote ist ein einfacher, meist einzelliger Organismus, dem ein Zellkern oder eine andere membrangebundene Organelle fehlt. Wir werden gleich sehen, dass dies bei Eukaryoten deutlich anders ist. Die prokaryotische DNA befindet sich in einem zentralen Teil der Zelle: dem Nukleoid (Abbildung \(\PageIndex{1}\)).

In dieser Abbildung hat die prokaryotische Zelle eine ovale Form. Das zirkuläre Chromosom ist in einer Region konzentriert, die Nukleoid genannt wird. Die Flüssigkeit im Inneren der Zelle wird Zytoplasma genannt. Ribosomen, dargestellt als kleine Kreise, schwimmen im Zytoplasma. Das Zytoplasma ist von einer Plasmamembran umhüllt, die wiederum von einer Zellwand umschlossen ist. Eine Kapsel umgibt die Zellwand. Das abgebildete Bakterium hat ein Flagellum, das an einem schmalen Ende herausragt. Pili sind kleine Ausstülpungen, die von der Kapsel in alle Richtungen abstehen.
Abbildung \(\PageIndex{1}\): Diese Abbildung zeigt den verallgemeinerten Aufbau einer prokaryotischen Zelle. Alle Prokaryoten haben chromosomale DNA, die in einem Nukleoid lokalisiert ist, Ribosomen, eine Zellmembran und eine Zellwand. Die anderen gezeigten Strukturen sind in einigen, aber nicht in allen Bakterien vorhanden.

Die meisten Prokaryoten haben eine Peptidoglykan-Zellwand und viele haben eine Polysaccharidkapsel (Abbildung \(\PageIndex{1}\)). Die Zellwand dient als zusätzliche Schutzschicht, hilft der Zelle, ihre Form beizubehalten, und verhindert die Austrocknung. Die Kapsel ermöglicht es der Zelle, sich an Oberflächen in ihrer Umgebung anzuheften. Einige Prokaryoten haben Flagellen, Pili oder Fimbrien. Flagellen dienen der Fortbewegung. Pili dienen dem Austausch von genetischem Material während einer Art der Reproduktion, die Konjugation genannt wird. Fimbrien werden von Bakterien benutzt, um sich an eine Wirtszelle anzuheften.

Karriere-Verbindung

Mikrobiologe: Die effektivste Maßnahme, die jeder ergreifen kann, um die Verbreitung ansteckender Krankheiten zu verhindern, ist das Händewaschen. Und warum? Weil Mikroben (Organismen, die so winzig sind, dass man sie nur mit Mikroskopen sehen kann) allgegenwärtig sind. Sie leben auf Türklinken, Geld, Ihren Händen und vielen anderen Oberflächen. Wenn jemand in seine Hand niest und einen Türknauf berührt, und Sie danach denselben Türknauf anfassen, befinden sich die Mikroben aus dem Schleim des Niesers nun auf Ihren Händen. Wenn Sie Ihre Hände an Mund, Nase oder Augen berühren, können diese Mikroben in Ihren Körper eindringen und Sie krank machen.

Allerdings verursachen nicht alle Mikroben (auch Mikroorganismen genannt) Krankheiten; die meisten sind sogar nützlich. Sie haben Mikroben in Ihrem Darm, die Vitamin K herstellen. Andere Mikroorganismen werden verwendet, um Bier und Wein zu gären.

Mikrobiologen sind Wissenschaftler, die Mikroben untersuchen. Mikrobiologen können eine Reihe von Berufen ausüben. Sie arbeiten nicht nur in der Lebensmittelindustrie, sondern auch in der Veterinär- und Medizinbranche. Sie können im pharmazeutischen Sektor arbeiten und eine Schlüsselrolle in der Forschung und Entwicklung einnehmen, indem sie neue Quellen von Antibiotika identifizieren, die zur Behandlung bakterieller Infektionen eingesetzt werden können.

Umweltmikrobiologen können nach neuen Möglichkeiten suchen, speziell ausgewählte oder gentechnisch veränderte Mikroben zur Entfernung von Schadstoffen aus dem Boden oder Grundwasser sowie von gefährlichen Elementen aus kontaminierten Standorten einzusetzen. Diese Anwendungen von Mikroben werden als Bioremediationstechnologien bezeichnet. Mikrobiologen können auch auf dem Gebiet der Bioinformatik arbeiten und spezielles Wissen und Einblicke für das Design, die Entwicklung und die Spezifität von Computermodellen, z. B. für bakterielle Epidemien, bereitstellen.

Zellgröße

Mit einem Durchmesser von 0,1 bis 5,0 μm sind prokaryotische Zellen deutlich kleiner als eukaryotische Zellen, die einen Durchmesser von 10 bis 100 μm haben (Abbildung \(\PageIndex{2}\)). Durch die geringe Größe von Prokaryoten können Ionen und organische Moleküle, die in sie eindringen, schnell in andere Teile der Zelle diffundieren. Ebenso können alle Abfälle, die innerhalb einer prokaryotischen Zelle produziert werden, schnell hinausdiffundieren. Dies ist in eukaryotischen Zellen nicht der Fall, die verschiedene strukturelle Anpassungen entwickelt haben, um den intrazellulären Transport zu verbessern.

Teil a: Dargestellt sind relative Größen auf einer logarithmischen Skala, von 0,1 nm bis 1 m. Die Objekte werden vom kleinsten bis zum größten dargestellt. Das kleinste dargestellte Objekt, ein Atom, ist etwa 1 nm groß. Die nächstgrößeren dargestellten Objekte sind Lipide und Proteine; diese Moleküle sind zwischen 1 und 10 nm groß. Bakterien sind ca. 100 nm groß, Mitochondrien ca. 1 griechischer Millimeter. Pflanzliche und tierische Zellen sind zwischen 10 und 100 griechische Millimeter groß. Ein Froschei ist etwa 1 mm groß. Ein Hühnerei und ein Straußenei sind beide zwischen 10 und 100 mm groß, aber ein Hühnerei ist größer. Zum Vergleich: Ein Mensch ist etwa 1 m groß.
Abbildung \(\PageIndex{2}\): Diese Abbildung zeigt die relativen Größen von Mikroben auf einer logarithmischen Skala (denken Sie daran, dass jede Steigerungseinheit in einer logarithmischen Skala eine 10-fache Steigerung der gemessenen Größe darstellt).

Kleine Größe ist im Allgemeinen für alle Zellen notwendig, egal ob prokaryotisch oder eukaryotisch. Lassen Sie uns untersuchen, warum das so ist. Zunächst betrachten wir die Fläche und das Volumen einer typischen Zelle. Nicht alle Zellen haben eine kugelförmige Form, aber die meisten nähern sich einer Kugel an. Vielleicht erinnern Sie sich aus Ihrem Geometriekurs in der Schule, dass die Formel für die Oberfläche einer Kugel \(4\pi r^2\) lautet, während die Formel für ihr Volumen \(4\pi r^2/3\) lautet. Wenn sich also der Radius einer Zelle vergrößert, nimmt ihre Oberfläche mit dem Quadrat ihres Radius zu, aber ihr Volumen nimmt mit dem Kubus ihres Radius (viel schneller) zu. Daher nimmt mit zunehmender Größe einer Zelle ihr Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ab. Das gleiche Prinzip würde gelten, wenn die Zelle die Form eines Würfels hätte (Abbildung \(\PageIndex{3}\)). Wenn die Zelle zu groß wird, hat die Plasmamembran nicht genügend Oberfläche, um die für das vergrößerte Volumen erforderliche Diffusionsrate zu unterstützen. Mit anderen Worten: Wenn eine Zelle wächst, wird sie weniger effizient. Eine Möglichkeit, effizienter zu werden, besteht darin, sich zu teilen; eine andere Möglichkeit besteht darin, Organellen zu entwickeln, die spezifische Aufgaben erfüllen. Diese Anpassungen führen zur Entwicklung höher entwickelter Zellen, die eukaryotische Zellen genannt werden.

Art Connection
Links ist eine Kugel mit einem Durchmesser von 1 mm in einen Kasten mit der gleichen Breite eingeschlossen. Rechts ist dieselbe Kugel in einem Kasten mit 2 mm Durchmesser eingeschlossen.
Abbildung \(\PageIndex{3}\): Beachten Sie, dass mit zunehmender Größe einer Zelle ihr Verhältnis von Oberfläche zu Volumen abnimmt. Wenn die Oberfläche nicht ausreicht, um das wachsende Volumen einer Zelle zu tragen, wird sich die Zelle entweder teilen oder sterben. Die Zelle auf der linken Seite hat ein Volumen von \(1 mm^3\) und eine Oberfläche von \(6 mm^2\), mit einem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von \(6\) zu \(1\), während die Zelle auf der rechten Seite ein Volumen von \(8 mm^3\) und eine Oberfläche von \(24 mm^2\) hat, mit einem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von \(3\) zu \(1\).

Prokaryotische Zellen sind viel kleiner als eukaryotische Zellen. Welche Vorteile könnte eine kleine Zellgröße für eine Zelle haben? Welche Vorteile könnte eine große Zellgröße haben?

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