Bakterienzelle - Aufbau und Funktion

Die Bakterienzelle zählt (mit der Archaeenzelle) im Unterschied zur Tier-, oder Pflanzenzelle zu den Prokaryoten, denn sie besitzt keinen Zellkern. Die chromosomale DNA des Bakteriums schwimmt frei im Cytoplasma herum, umgeben von einigen wenigen Zellorganellen. Als Einzeller ist sie ein in sich abgeschlossenes System. In ihrer Einfachheit ist die Bakterienzelle allerdings unschlagbar effizient, und zählt zu den urtümlichsten Formen von Leben auf der Erde.

Aufbau

Die Bakterienzelle ist eine Protozyte (Bezeichnung für Zellen der Prokaryoten), das bedeutet sie besitzt keinen Zellkern. Der gesamte "Bauplan" der Bakterienzelle bzw. der Bauplan aller notwendiger Proteine ist relativ klein, und passt auf einen einzigen DNA-Strang der als Knäuel im Cytoplasma schwimmt. Dieses sogenannte Bakterienchromosom trägt nahezu die gesamte Erbinformation der Bakterienzelle in sich. Zusätzlich kommen kleine ringförmige Stücke DNA vor, die sogenannten Plasmiden. Ebenfalls im Cytoplasma befinden sich die Ribosomen, die Proteine synthetisieren, Stoffspeicher und Zelleinschlüsse.

Umgeben ist die Bakterienzelle (in unserer Illustration) von einer Kapsel. Diese Kapsel tritt nicht bei allen Bakterienarten auf. Innerhalb dieser Kapsel liegt die eigentliche Zellwand, die bei einigen Bakterienarten die äußerste Hülle bildet (sofern keine Kapsel vorhanden). Das Cytoplasma selbst ist von der Zellmembran umschlossen, die wiederum innerhalb der Zellwand liegt.

Der Aufbau der Zellwand unterscheidet sich vom Aufbau der Zellwand der Pflanzenzelle, die den Begriff "Zellwand" allgemein prägt. Während die Zellwand der Pflanzenzelle vorwiegend aus Zellulose besteht, die ihr Festigkeit verleiht, besteht die Zellwand der Bakterienzelle aus Makromolekülen (Peptidoglycane) die aus Zuckern und Aminosäuren zusammengesetzt sind. Die Zellwand der Bakterienzelle ist damit um ein Vielfaches dünner, was für die geringe Größe der Bakterienzelle notwendig ist. Bakterienzellen sind etwa 100 bis 1000 Mal kleiner als eukaryotische Zellen (Euzyten).

Funktion

Bakterienzellen sind ein wichtiger Symbiont für den Menschen. Unzählige Bakterien besiedeln den menschlichen Körper, und helfen dabei die aufgenommene Nahrung zu verdauen. Auch auf der menschlichen Haut lebt eine Vielzahl von Bakterien ohne dem Menschen zu schaden. Allerdings können Bakterien auch Infektionen verursachen, wenn sie dort eindringen wo sie nicht hingehören.

Eine wichtige Rolle spielen Prokaryoten, zu denen auch die Bakterienzelle gehört, in der Endosymbiontentheorie. Da die Bakterienzelle zu einer der ältesten Lebensformen gehört die auf der Erde bekannt sind, wird heute vermutet dass sich im Laufe der Evolution aus verschiedenen ineinander aufgehenden und in Symbiose lebenden Bakterienzellen die Eukaryoten entwickelt haben.

Organellen und Bestandteile

Pili
Einige Bakterienzellen tragen auf ihrer Oberfläche eine Vielzahl von Proteinfilamenten wie Pili oder noch feinere sogenannte Fimbrien (nicht eingezeichnet). Durch diese feinen Fortsätze sind Bakterien dazu in der Lage ihre Kohäsionsfähigkeit (Haftung) zu erhöhen und auf jeglichen Oberflächen oder auch Zellen zu haften.

Geißel (Flagellum)
Wiederum einige Bakterien besitzen längere in sich gewundene Proteinfäden (aus dem Protein Flagellin), die unter ATP-Verbrauch um sich schlagen oder rotieren können. In flüssigem Medium können sich Bakterienzellen hierdurch fortbewegen.

Kapsel
Nicht alle Bakterienzellen besitzen eine Kapsel. Die Kapsel umhällt die eigentliche Zellwand und besteht aus sauren Polysacchariden, die die Zelle zum einen vor Angriffen des Immunsystems schützt. Zum anderen schützt die Kapsel in gewissem Maße die Zelle vor dem Austrocknen, und kann in Kombination mit schleimigen Sektreten (Glykokalyx) die Bakterienzelle hervorragend auf Oberflächen anhaften lassen.

Zellwand
Die Zellwand umschließt die Zelle und kann (sofern keine Kapsel vorhanden) die äußerste Schicht der Bakterienzelle bilden. Sie besteht aus Zuckerderivaten und Peptiden und schützt die Bakterienzelle vor äußeren Einwirkungen wie Phagen, dem Immunsystem oder in gewissem Maße Trockenheit. Trotz ihrer Widerstandsfähigkeit ermöglicht die Zellwand der Bakterienzelle den Stofftransport in und aus der Zelle heraus. Ähnlich der pflanzlichen Zelle umgibt die Zellwand der Bakterienzelle die in ihr liegende Zellmembran wie eine feste Schale um einen Luftballon, um den die Bakterienzelle trotz osmotischen Zelldrucks vor dem Platzen zu schützen.

Zellmembran
Die Zellmembran umhüllt das Cytoplasma und die innenliegenden Organellen. Die dünne und semipermeable Biomembran erfüllt Aufgaben wie den Stofftransport zwischen intra-, und extrazellulärem Raum.

Zelleinschlüsse (Vesikel)
Stoffwechselprodukte werden in Vesikel eingeschlossen und aus der Zelle befördert.

Stoffspeicher (Granula)
Die Granula speichern für die Bakterienzelle wichtige Stoffe wie Polysaccharide, Fette, Polyphosphate oder Schwefel. Ist genug vorhanden werden diese Stoffe für schlechte Zeiten eingelagert.

Ribosomen
Die Ribosomen stellen analog ihrer Funktion in Tier-, oder Pflanzenzellen wichtige Proteine her, indem sie in der DNA gespeicherte Baupläne in gekettete Aminosäuren verwandeln. Ribosomen treten in Bakterienzellen jedoch wesentlich weniger auf, da nicht annähernd ein so komplexes und vielfältiges Proteinarsenal benötigt wird als in Tierzellen. Außerdem sind bakterielle Ribosomen wesentlich kleiner.

DNA-Nucleoid (Bakterienchromosom)
Die Erbinformation der Bakterienzelle ist auf einem einzigen DNA-Strang gespeichert, dem sogenannten Bakterienchromosom. Das Bakterienchromosom schwimmt frei im Zellplasma umher, da es nicht wie bei Eukaryoten von einem Zellkern umgeben ist. Die Bezeichnung "Nucleoid" bedeutet in etwa so viel wie "Kernäquivalent" als das Äquivalent zu den eukaryotischen Zellkernen.

Plasmid
Plasmide sind kleine DNA-Ringe, die sich selbst replizieren. Sie kommen in einer variablen Zahl innerhalb des Cytoplasmas vor, und tragen zusätzliche Erbinformationen in sich. Für den eigentlichen Bauplan der Bakterienzelle spielen sie keine Rolle, jedoch können durch sie nützliche Stoffe codiert werden. Beispielsweise macht man sich das bei der Produktion von Insulin zu Nutze, oder aber die Bakterienzelle macht es sich selbst zu Nutze indem sie sich durch Plasmide die Resistenz gegen bestimmte Stoffe wie Antibiotika merkt. Plasmide können unter Bakterienzellen ausgetauscht werden, was einmal ausgebildete Resistenzen so gefährlich macht.