Zellstruktur | Escherichia coli |
Hinweis: Im Atelier koennen Sie sich das Video "Die Prokaryonten" ansehen.
Zu den Prokaryonten gehören Bakterien, Blaualgen und Mykoplasmen. Es sind Organismen, in denen das genetische Material der Zellen (DNA) in Form eines Pronukleus organisiert ist, wobei dieser nicht durch eine Kernmembran vom Cytoplasma getrennt ist. Sie sind einzellige Organismen, die keine Organellen enthalten.
Schema einer prokaryontischen
Zelle:
Sie ist eine relativ feste Schleimschicht, die vorwiegend aus Polysacchariden aufgebaut ist. Bakterien, die in einen Wirtsorganismus gelangen, werden durch die Kapsel vor Phagozytose geschützt.
Die Zellwand ist starr und gibt der Zelle mechanische
Stabilität. Man unterscheidet zwischen gram-positiven und
gram-negativen Zellwänden.
Die gram-positiven sind etwa 500 A° dick und bestehen aus ca. 20
Schichten von Peptidoglycanen, die ein Zuckergerüst enthalten,
dessen Synthese durch Penicillin gehemmt wird. Penicillin verhindert
damit die Vermehrung gram-positiver Bakterien.
(Aufbau ).
Die gram-negativen Zellwände haben eine dünnere
Peptidoglycanschicht, dafür aber eine weitere Schicht, die aus
Lipiden, Proteinen und Lipopolysacchariden besteht.
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Aufbau der Zellwand |
Die Zellmembran umhüllt das Cytoplasma und bildet eine Diffusionsbarriere, die für Ionen, hydrophile Partikel und solche, die ein grösseres Molekulargewicht als 103 Dalton haben, nicht mehr frei durchgängig ist. Da der Stoffwechsel aber von einem ständigen Austausch von Nährstoffen und Stoffwechselendprodukten zwischen Cytoplasma und dem Medium, in dem die Zelle sich aufhält, abhängig ist, verfügt die Zellmembran über selektive Transportsysteme. Membranen sind auch der Ort (einiger) enzymatischer Reaktionen, z.B.die Biosynthese von Phospholipiden oder die oxidative Phosphorylierung. Membranen bestehen etwa zu gleichen Teilen aus Lipiden und Proteinen. Bakterien, die photosynthetisch aktiv sind, haben Thylakoide, d.h. spezialisierte Fortsätze, welche photosynthetisch aktive Pigmente, sowie Elektronentransport- und Photophosphorylierungssysteme enthalten.
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Transportsysteme der Zellmembran |
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Das Cytosol oder Cytoplasma ist eine "wässrige Salzlösung", die die Zelle ausfüllt, und in der Proteine und Ribosomen zu finden sind. Das grösste Molekül im Innern eines Prokaryonten ist die DNA. Da es in der prokaryontischen Zelle keine Organellen hat, also auch keinen Kern, liegt die DNA frei im Cytoplasma vor. Neben der DNA finden wir auch Plasmid-DNA. Plasmide sind kleine, ringförmige DNA-Moleküle. Ausser DNA finden wir auch verschiedene Arten von RNA, die an Synthesevorgängen beteiligt sind.
Da Bakterienzellen, wie vorher erwähnt,keinen Zellkern haben, liegen das Chromosom (ein ringförmiges DNA-Molekül) und die Plasmid-DNA frei im Cytoplasma vor. Die Menge variiert je nach Zellart.
Wie man aus der schematischen Zeichnung erraten kann, haben die Flagellen etwas mit der Fortbewegung der Prokaryonten zu tun. Es sind Proteinfäden, die schraubenartig verdreht sind und wie eine Schiffsschraube die Bewegung der Zelle steuern. In Verbindung mit spezialisierten Rezeptoren für Aussenreize ermöglichen sie das Ansteuern oder das Vermeiden von Reizquellen (Chemotaxis).
Pili sind viel kürzer als Flagellen und haben eine ganz andere Funktion. Sie dienen zur Übertragung von DNA von einer Zelle auf eine andere bei der Konjugation. Sie ermöglichen zudem die Adhäsion einer Zelle an ein Wirtsgewebe.
 Lösung |
Wie gross ist das Verhältnis von Nukleinsäuren zu Proteinen (in Bezug auf ihre Masse) in einer prokaryontischen Zelle? |
E. coli ist ein Bakterium, das zu den Colibakterien gehört. Es hat eine Stäbchenform. Seine Grösse ist 1.7x0.65 µm. Es enthält 1 doppelsträngige DNA mit einer Länge von etwa 1.3 mm bestehend aus 4.6x106bp Basenpaaren. E. coli-Zellen lassen sich im Labor gut züchten, weil sie einen einfachen Nährstoffbedarf haben. Sie vermehren sich in einer wässrigen Salzlösung, welche einen Zucker, z.B. Glucose, als Energiequelle enthält. E. coli baut das Kohlenstoffgerüst des Zuckers ab und synthetisiert unter Verwendung von Phosphat, organischem Stickstoff und Sulfat im Medium, Aminosäuren und die Bausteine für Nukleinsäuren.
Wenn die E. coli-Zellen genug Nährstoffe haben, verdopplen
sie ihre DNA und vergrössern Zellmembran und Zellwand. Nach dem
DNA-Verdoppelungszyklus (=Replikation) entsteht eine querverlaufende
Scheidewand zwischen den neu entstandenen DNA-Molekülen.
Anschliessend teilt sich die Zelle.
Die Zeit, die von einer Zelle gebraucht wird, um sich zu verdoppeln,
wird Generationszeit genannt. Bei E. coli beträgt diese Zeit
unter optimalen Bedingungen (37°C,Vollmedium) 20-25 Min. In
Minimalmedium und 37°C beträgt die Generationszeit 60-90
Min. Die kürzere Zeit im Vollmedium rührt daher, dass man
neben Glucose auch vorgefertigte Bausteine für Synthesen,
beispielsweise für die DNA-Synthese, verabreicht. Ein solches
Medium enthält u.a. flüssigen Fleischextrakt.
20-25 Min. ist die Minimalzeit zur Verdoppelung der Zellen, weil
Makromoleküle durch die notwendigen Enzyme nicht schneller
zusammengebaut werden können. Die Generationszeit einer 500 mal
grösseren Säugerzelle beträgt im Vergleich dazu etwa
24 h.
Klinik: E. coli ist der häufigste Erreger von Harnweginfektionen, Gallenweg- und Gallenblasenentzündung, Bauchfellentzündung, Blinddarmentzündung, Wundinfektionen und Meningitis (Hirnhautentzündung v.a. bei Säuglingen).
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Lösung |
Welche Vorteile hat Fleischextrakt im Nährmedium für E. coli? |
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