Unterschiede zwischen pro- und eukaryotischer Zellen

Mikrobiologisches Großpraktikum vom18.04 – 29.04.2005
Unterschiede zwischen pro- und eukaryotischer
Zellen
Betreuerin:
Referentin:
Frau Wolf
Maren Meilick
Unterschied zwischen prokaryontischer und eukaryontischer Zelle
Die Eucyte:
Sie beinhaltet in ihrem Cytoplasma eine Menge von Organellen, die für die Funktion
der Zelle bzw. des ganzen Organismus wichtig sind. Bei der Eucyte differenziert man
die tierische Zelle von der pflanzlichen Zelle. Sie unterscheiden sich im Großen und
Ganzen nur von der Art einiger Organellen, die nicht in beiden Zelltypen vorkommen
und von ihrer äußeren Zellwand.
Abb. 1: tierische Zelle
Abb. 2: pflanzliche Zelle
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Die Eucyte enthält Organellen mit einfacher und doppelter Biomembran.
1) Organellen mit doppelter Biomembran:
a) Zellkern:
Der Kern ist von einer Kernhülle umgeben, die vom ER (siehe später) gebildet
wird. Es ist eine doppelschichtige, duchrlöcherte Membran, sodass ein Transport
von Nucleinsäuren, Proteinen und Metaboliten möglich ist. Die DNA ist im Kern
auf den Chromosomen verteilt, diese werden erst während der Kernteilung
sichtbar. Die Kernteilung erfolgt durch die Mitose (siehe später).
b) Mitochondrie:
Sie hat eine stäbchenähnliche oder gekrümmte Form, die innere Membran ist
stark gefaltet (à vergrößerte Oberfläche ). Sie besitzt zwei Reaktionsräume:
plasmatischer Raum im Inneren, nicht-plasmatischer Raum zw. innerer und
äußerer Membran. In ihrer Matrix befindet sich unter anderem eine eigene DNA
sowie 70 S-Ribosomen. Dies befähigt die Mitochondrien zu einer eigenständigen
RNA- und Proteinbiosynthese. Funktionell gesehen sind die Mitochondrien die
Träger der Enzyme der Atmungskette, des Citronensäurecylus, der oxidativen
Phosphorylierung und des Fettsäurenabbaus.
c) Chloroplasten:
nur in der pflanzlichen Zelle
Sie haben ebenfalls eine zweischichtige Hülle. Die Innere Membran umschließt
das Stroma (Matrixraum). Im Inneren der Chloroplaste befinden sich flächige,
lamellenförmige Membransysteme, die Thylakoide die u.a. das Chlorophyll und
Carotinoid enthalten. Die Chloroplasten sind der Ort der Photosynthese und
enthalten wie die Mitochondrie eigene DNA.
2) Organelle mit einfacher Biomembran:
a) ER:
endoplasmatisches Retikulum; Es durchzieht das gesamte Cytoplasma mit einem
flächigen Netzwerk. Es fungiert als intrazelluläres Transportsystem. Die
Membranen umschließen Innenräume, die Zisternen. Das ER kann mit anderen
Membranen in Verbindung stehen, z.B. mit der Kernhülle. Man unterscheidet
beim ER das glatte und das rauhe ER. Das rauhe ER hat an seiner
Membranfläche viele 80 S-Ribosomen, der Ort der Proteinbiosynthese, das glatte
ER hat dagegen keine Ribosomen an seiner Membran.
b) Golgi-Apparat:
auch Dictysomen genannt; Sie bestehen aus Paketen von abgeflachten
Memebranvesikeln, sog. Zisternen. Im Inneren befinden sich v.a. Eiweiße und
Enzyme, bzw. Baustoffe für die Zellwand. Die Enzyme werden an den Zisternen
synthetisiert und gelagert. Am Rande der Membranstapel können sich Bläschen
(Golgi-Vesikel) abschnüren und zu den Orten wandern, an denen die Stoffe
benötigt werden (à Exocytose).
c) Vacuole:
nur in der pflanzlichen Zelle
In Folge einer verstärketen Wasseraufnahme kommt es zur lokalen Entmischung.
Es entstehen kleine Wassertröpfchen, die zusammenfließen und größere
Vakuolen bilden, die durch eine Biomembran, dem Tonoplast, vom Cytoplasma
abgegrenzt sind. Er ist Speicherort für Nährstoffe und Zellabfälle.
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3) Organellen ohne Biomembran:
a) Ribosomen:
Sie sind die Orte der Proteinbiosynthese. Im Cytoplasma der Eukaryonten
befinden sich die 80 S-Robosomen, die aus morphologisch zwei verschiedenen
Untereinheiten bestehen: aus einer 60 S- und einer 40 S-Untereinheit. Die
Ribosomen der Eukaryonten können frei im Cytoplasma oder gebunden an das
ER vorkommen. Im Funktionszustand sind die Ribosomen perlschnurartig auf
messenger-RNA-Molekülen zu Polyribosomen oder Polysomen aufgereiht.
b) Lysosomen:
nur in tierischer Zelle
Sie enthalten zahlreiche Enzyme mit deren Hilfe Makromoleküle abgebaut
werden können.
c) Mikrotubuli:
Sie haben einen Durchmesser von ca. 25nm. Sie bestehen aus einem Protein,
dem Tubulin. Es ist offenbar ein Dimer aus zwei recht ähnlichen
Tubulinmolekülen. Man hat noch keine gesicherten Vorstellungen über ihre
Funktion. Man vermutet , dass sie an gerichteten Bewegungen beteiligt sind, da
sie charakteristische Bestandteile der Geißeln und bei der der Kernteilung
auftretenden Spindelfasern sind. Man vermutet weiterhin, dass sie für die Gestalt
der Zellen bzw. deren Veränderungen verantwortlich sind, sie vermögen
allerdings nicht den Bewegungsvorgang bzw. die Gestaltsveränderung aktiv
hervorzurufen.
d) Mikrofilamente:
Sie kommen sowohl in pflanzlichen als auch in tierischen Zellen vor. Ihr
Durchmesser beträgt 2-4 nm. Durch das Antibiotokum Cytochalasin B wird ihre
Aktivität gehemmt, gleichzeitig hören die Bewegungsvorgänge und
Gestaltveränderungen auf. Nach Entfernen des Cytochalasins werden die
Bewegungen wieder aufgenommen. Da Cytochalasin auf das Actinmyosinsystem
der Muskeln wirkt, lässt sich daraus schließen, dass Mikrofilamente aus Actin
bestehen.
Die Zellwand:
Die pflanzlichen Zellen sind, im Gegensatz zu den tierischen, von einer festen
Zellwand umgeben. Eine Ausnahme machen die nackten Plasmodien der
Schleimpilze sowie gewisse Flagellaten und niedere Pilze.
Die Chemie der pflanzlichen Zelle besteht im Wesentlichen aus drei Gruppen von
Kohlenhydraten: Pektine in Form des Protopektins, Cellulosane und Cellulose.
Außerdem enthalten die Zellwände noch Proteine (Glykoproteide).
Unter dem Lichtmikroskop erscheinen die Zellwände geschichtet. Man unterscheidet
die Primärwand und Sekundärwand. Die Wände benachbarter Zellen sind durch die
Mittellamelle miteinander verkittet.
Der Abschluß durch eine feste Zellwand würde den Stoffaustausch zwischen
benachbarten Zellen erschweren, weshalb besondere Verbindungswege vorhanden
sind, die als Tüpfel bezeichnet werden.
Alle Membranen bestehen dabei aus einer Doppellipidschicht, in der Proteine,
Cholesterin etc. eingelagert sein können.
Die Zellwand der tierischen Zelle besteht ebenfalls aus einer Doppellipidschicht. In
ihr sind Transportproteine eingelagert. Sowohl die Lipide als auch die Proteine sind
mit Kohlenhydratketten verbunden, die die äußere Oberfläche überragen. Im
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Gegensatz zur pflanzlichen Zelle bestehen die tierischen Zellen nur aus einer
Membranschicht.
Die Kernteilung:
Die Kernteilung erfolgt durch die Mitose. Sie erfüllt zwei Funktionen: identische
Reduplikation des genetischen Materials, Verteilung je eines vollständigen
Chromosomensatzes auf jeden Tochterkern.
Die Mitose läuft in vier Phasen ab:
1) Prophase: Kernhülle löst sich auf; längsgespaltete Chromosomen werden
sichtbar
2) Metaphase: Chromosomen ordnen sich der Äquatorialebene an
3) Anaphase: Spalthälften der Chromosomen werden an den Spindelfasern zu den
Polen gezogen
4) Telophase: Chromosomen, die erneut längsgespaltet sind, werden von einer
Kernhülle umgeben; der Kern geht in die Funktionsform über.
Alle höheren Pflanzen und Tiere machen bei der sexuellen Vermehrung eienen
Kernphasenwechsel durch. Bei der Befruchtung verschmelzen die Keimzellen und
ihre Kerne zur Zygote. Der Kern enthält also zwei Chromosomensätze (2n). Beim
Übergang zur nächsten sexuellen Generation muss also eine Halbierung der
Normalzahl (2n) zur Normalzahl (n) erfolgen. Dieser Vorgang wird Meiose genannt.
Auch die Meiose gliedert sich in zwei Reifeteilungen:
Reifeteilung I:
1) Interphase: Paarung der homologen Chromosomen
2) Prophase I: homologe Tetradenbildung
3) Metaphase I: Chromatidtetraeden werden von den Spindelfasern an die
Äquatorialebene gebracht
4) Anaphase I: Trennung der homologen Chromosomen
5) Telophase I: Ausbilden der Zellmembran; es sind zwei Zellen mit doppeltem
Chromosomensatz entstanden.
Reifeteilung II à ähnlich der Mitose
Organellen der Fortbewegung:
Bei Protozoen, Algen, Spermatozoen und in Flimmerepithelien können Geißeln oder
Wimpern (Cilien) vorkommen. Diese sind einheitlich aufgebaut: Sie bestehen aus
neun peripheren Doppelfilamenten und zwei zentralen einfachen Filamenten und
sind von der Cytoplasmamembran umhüllt. Die Geißel ist durch ein Basalkorn in der
Cytoplasmaschicht verankert.
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Die Protocyte:
Die Zellen der Prokaryonten sind sehr klein. Ihre Kompartimentierung ist weniger
ausgeprägt als die der Eukaryonten.
Abb. 3: Bakterienzelle
1) Organellen ohne Biomembran:
a) Ribosomen:
Die Ribosomen gehören dem 70 S-Typ an. Sie sind die Orte der
Proteinbiosynthese. Sie bestehen aus zwei Untereinheiten: der 30 S- und der 50
S-Untereinheit. Sie kommen frei im Cytoplasma vor.
b) DNA:
Die genetische Information liegt auf einem einzigen DNA-Faden. Dieser ist meist
ringförmig geschlossen und wird von keiner Kernhülle umgeben.
c) Plasmid:
Desweiteren ist meist noch extrachromosomale DNA vorhanden, die ebenfalls ein
ringförmiges geschlossenes Molekül bildet, ein sog. Plasmid. Die in den
Plasmiden lokalisierte Information ist entbehrlich.
Das Cytoplasma:
Im Cytoplasma kommen noch lösliche Enzyme und lösliche RNA vor. Das
Cytoplasma wird durch die Cytoplasmamembran nach außen hin abgetrennt. Sie
besteht aus einer Doppellipidschicht und hat eine entscheidende
Stoffwechselfunktion: Sie ist die osmotische Schranke und kontrolliert den Stoffein6
und Austritt. Dabei hat sie ein aktives Transportsystem und ein Permease-System
zur Verfügung.
Die Enzyme der oxidativen Phosphorylierung und des Elektronentransportes sind in
oder an der Membranen lokalisiert (bei den Eukaryonten in den Mitochondrien).
Die Replikation der DNA ist wahrscheinlich ebenfalls an der Membran lokalisiert, und
die Geißeln haben hier ihren Ansatzpunkt.
Manche Bakterien bilden Einstülpungen der Cytoplasmamembran, die sog.
Mesosomen.
Die Zellwand:
Die Zellwand der Bakterien ist nicht starr, sondern dünn und elastisch.
Das Stützskelett der Bakterienzellwand besteht weitgehend aus einem einheitlichen
Polymer, dem Peptidoglykan Murein. Desweiteren enthält die Bakterienzellwand
Strukturen und Substanzen, die nicht bei Tieren oder Pflanzen anzutreffen sind:
Die alternierende Folge von N-Acetylglycosamin und N-Acetylmuraminsäure; die in
den Proteinen vorhandene Aminosäure m-Diaminopimelinsäure und die D-Formen
des Alanins und der Glutaminsäure; Vorhandensein einer Peptidoglykanschicht
Die Zellteilung:
Der Zellteilung voraus geht immer die Replikation der DNA. Sie wird dabei nach dem
semikonservativen Mechanismus repliziert: Die Stränge weichen auseinander, sie
werden entspiralisiert. An jedem Einzelstrang erfolgt die Neusynthese eines
komplementären Strangs.
Man hat bei Escherichia coli beobachtet wie sie sich nach der Replikation auf ca. das
Doppelte verlängert und anschließend durch Bildung eines Septum sich zwei
Tochterzellen bilden.
Organellen der Fortbewegung:
Die Geißeln können an Bakterien unterschiedlich angeordnet sein. Sie dienen den
Bakterien als „Fortbewegunsmittel“.
Die Geißeln der Bakterien sind helical gewundenen Fäden. Die Filamente der
Geißeln bestehen aus einem spezifischen Protein, dem Flagellin.
Sie bestehen aus drei Abschnitten: Geißelfilament, Geißelhaken und Basalkörper,
mit ihm ist die Geißel in der Cytoplasmamembran verankert.
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Die Unterschiede im Überblick:
Tab. 1: Überblick der Unterschiede
Merkmal
Kernmembran
Energiegewinnung
genetische Information
Ribosomen
Zellwand
Zellorganellen
Zellteilung
Geißeln
Protocyte
Eucyte
fehlt
in Plasmamembran lokalisiert
auf einem DNA-Molekül,
Plasmid
70 S-Ribosomen
alternierende Folge von NAcetylglycosamin und NAcetylmuraminsäure;
Aminosäure mDiaminopimelinsäure;
Peptidoglykanzellwand
Ribosomen, Reservestoffe,
Lipide
vorhanden
in Mitochondrien und Plastiden
auf versch. Chromosomen
Replikation und Ausbildung eines
Septum
helical gewundenen Fäden,
Filamente bestehen aus dem
Proetein Flagellin
80 S-Ribosomen
pflanzl. Zelle enthalten
Protopektins, Cellulosane und
Cellulose;
Ribosomen, Golgi-Apparat,
Mikrofilamente, Mikrotubuli, ER,
Mitochondrien, (Chloroplasten,
Lysosome, Vakuole)
Mitose, (Meiose)
neun peripheren
Doppelfilamenten und zwei
zentralen einfachen
Filamenten
Literaturangaben:
Dr. sc. Benno Kunz; Grundriss der Lebensmittel-Mikrobiologie, Behr`s Verlag
Hans G. Schlegel; Allgemeine Mikrobiologie, 6. überarbeitete Auflage, Thieme-Verlag
Madigan, Martinko, Parker; Brock Biology of Microorganism, ninth Edition
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