Bakterien

Die verschiedenen Zelltypen

Robert Brown verwendete 1831 den Begriff "Nucleus" zum ersten Mal. Der Botaniker widmete sich dem Studium seiner Orchideen und notierte, dass während der Befruchtung ein kleiner Kern eine entscheidende Rolle zu übernehmen schien.

Von Remo Trerotola

Die Grundlage der Zelltheorie

Die genaue Funktion des kleinen Kerns konnte Brown zwar nicht enthüllen, doch schien dieser die Embryonalentwicklung irgendwie zu steuern.

Auch wenn Brown noch nicht die Zelle als Baustein des Lebens erkannt hatte – er hatte den Zellkern entdeckt. Seine Forschung war die Grundlage für die Zelltheorie.

Heute sind die Bestandteile von Zellen und deren Funktionen umfangreich erforscht. Wissenschaftler unterscheiden drei Typen von Zellen: Tierzelle, Pflanzenzelle und Bakterienzelle.

Die Tier- und Pflanzenzellen werden als Eukaryoten bezeichnet, Zellen mit echtem Zellkern. Zellen ohne Zellkern heißen Prokaryoten. Dazu zählen unter anderem die Bakterien.

Fachleute bezeichnen die Zelle als "die kleinste lebensfähige Einheit". Sie kann sich mit anderen Zellen zu Geweben, Organen und Organismen zusammenschließen. Eines aber bleibt fast immer gleich: Wer lebt, der verbraucht Energie.

Zellen benötigen also zuverlässige Quellen für die Energiegewinnung. Auch Abfall sollte entsorgt werden. Und eine Haut sollte irgendwie nach außen hin schützen.

Zur Bewältigung dieser Aufgaben braucht eine Zelle unterschiedliche Bestandteile – hier die wichtigsten.

Membran – die Haut der Zelle

Bei Prokaryoten wie Eukaryoten grenzt die Membran das Zellinnere von der Außenwelt ab. Sie besteht aus einer Doppelschicht von Fettmolekülen. Zwischen den Fettmolekülen sind Kohlenwasserstoffe angeordnet und Kanäle eingebaut.

Auch die Bestandteile in der Zelle sind von Membranen umgeben. Manche Strukturen der Eukaryoten wie der Kern oder die Mitochondrien sind sogar von Doppelmembranen – also zwei Doppelschichten – eingegrenzt.

Bei Pflanzenzellen bezeichnet man die Zellmembran auch als Plasmalemma.

Erbinformation – der Bauplan der Zelle

Der Bauplan der Zelle, die Erbinformation, liegt bei Eukaryoten ausschließlich im Zellkern vor. Sie besteht aus einem Doppelstrang von DNS-Molekülen. Diese liegen sich strickleiterförmig gegenüber und sind schraubenartig ineinander verdreht.

DNS steht für Desoxyribonuclein-Säure (Englisch DNA = Desoxyribonucleic acid) und bezeichnet eine Kernsäure, die unter anderem aus Zuckermolekülen besteht, denen jeweils ein Sauerstoffatom fehlt.

Bei Prokaryoten fehlt ein Zellkern, daher liegt die Erbinformation frei in der Zelle. Bei den meisten Bakterienarten ist die DNA nicht als linearer Doppelstrang angeordnet, sondern als in sich geschlossenes, ringartiges Molekül. Nur wenige Prokaryoten, wie zum Beispiel Borrelien, besitzen einen linearen DNA-Doppelstrang.

Zellkern – die Schaltzentrale der Zelle

Der Zellkern kommt nur bei Eukaryoten vor. Er enthält die Erbinformation der Zelle und steuert wie eine Schaltzentrale alle Vorgänge der Zelle.

Über winzige Kanäle kann der Kern mit anderen Zellen in Verbindung stehen. Der Kern ist von einer Hülle umgeben, die sich aus einer Doppelmembran zusammensetzt.

Mitochondrien – die Kraftwerke der Zelle

Auch Mitochondrien kommen nur bei Eukaryoten vor. Sie sind die Kraftwerke der Zelle. Dafür gewinnen sie kleine nutzbare Energiebausteine (ATP = Adenosintriphosphat) und verbrennen dazu Zucker mit Hilfe von Sauerstoff.

Bei diesem Prozess entstehen Wasser und Kohlendioxid. Auch Mitochondrien haben eine Doppelmembran, die sie vom Rest der Zelle trennt.

Endoplasmatisches Retikulum – ein verzweigtes Kanalsystem

Das Endoplasmatische Retikulum (ER) von Eukaryoten ist ein reich verzweigtes Kanalsystem. Es durchnetzt die gesamte Zelle und ist von einer einfachen Membran umgeben.

Die Kanäle stehen in direkter Verbindung mit dem Zellkern und bilden Bläschen und Ausstülpungen.

Das raue ER ist von außen mit Ribosomen besetzt und dient dem Aufbau von Eiweißen und der Zellmembran. Das glatte ER, ohne anhaftende Ribosomen, spielt beim Stoffwechsel von Fetten, Kohlenhydraten und Hormonen eine wichtige Rolle.

Außerdem ist es entscheidend für die Entgiftung von Zellen. Es kann Calcium einlagern, etwa in Muskelzellen.

Golgi-Apparat – Transportsystem aus Bläschen

Nur Eukaryoten haben einen Golgi-Apparat, der von einer einfachen Membran umschlossen ist. Über winzige Bläschen tauscht er Zellbausteine mit anderen Organen der Zelle aus.

Vor allem Eiweiße werden im Golgi-Apparat neu zusammengesetzt. Er schickt aber auch Bläschen an die Zellmembran und befördert Abfallstoffe oder Hormone nach außen.

Der Transport über eingeschlossene Bläschen soll vorzeitige chemische Reaktionen in der Zelle verhindern.

Zellwand – schützende Schicht

Pflanzenzellen und die meisten Bakterien werden neben der Zellmembran von einer dicken Zellwand umschlossen. Diese liegt außerhalb der Membran und umhüllt die Zelle.

Die pflanzliche Zellwand ist überwiegend aus Zellulose, einem Mehrfachzucker, aufgebaut. Die Wand schützt vor Flüssigkeiten, die sonst in die Zelle fließen würden. Zudem bietet sie Festigkeit und hebt den Pflanzenkörper in die Höhe.

Eingelagerte Stoffe wie Lignin (Holzstoff) sorgen für zusätzliche Stabilität und führen dazu, dass Bäume weit in die Höhe wachsen können. Außerdem wirkt die Wand dem Wasserdruck entgegen, der vom Zellinnern nach außen drückt.

In der Bakterienwand ist der Grundbaustein nicht Cellulose, sondern Murein, ein Gerüst aus Zucker und Aminosäuren.

Grundsätzlich lassen sich Bakterien je nach Einfärbung im Labor in zwei Lager einteilen: Gram-negative und Gram-positive Bakterien. Letztere haben eine mehrschichtige Mureinwand, aus der Farbstoffe nur schwer auszuwaschen sind. Ihre Zellwand färbt sich violett.

Gram-negative Bakterien bleiben farblos, denn ihre Zellwand ist so einfach gebaut, dass sich keine Farbstoffe einlagern können. Auch bei Bakterien hat die Wand Schutzfunktionen und wirkt dem Druck des Zellinnern entgegen.

Vakuole – Speicher für Zellsäfte

Nur Pflanzenzellen brauchen eine Vakuole. Sie speichern darin alle wasserlöslichen Zellsäfte. Die Säfte können auch farbig sein, etwa in Rotkohl oder Roter Bete. Im Zusammenspiel mit der Zellwand und den Zellsäften hält die Vakuole den Innendruck der Zelle aufrecht.

Chloroplasten – Energielieferant für Pflanzen

Pflanzenzellen brauchen zum Überleben Chloroplasten. Wie Mitochondrien und Zellkern sind diese von einer Doppelmembran umgeben und verleihen grünen Blättern ihre Farbe.

Bei Sonnenlicht vollzieht sich an diesen winzigen Orten immer wieder ein kleines Wunder: die Photosynthese. Sie ist die Grundlage allen Lebens auf der Erde.

Dabei gewinnt die Pflanze aus Kohlendioxid und Wasser mit der Energie des Sonnenlichts Zucker und Sauerstoff. Damit vollzieht sich hier genau der umgekehrte Prozess wie an Mitochondrien, wo aus Zucker und Sauerstoff Wasser und Kohlendioxid entstehen.

Weil die pflanzliche Zelle Mitochondrien und Chloroplasten besitzt und damit den Kreislauf von Sauerstoff und Kohlendioxid in Gang halten kann, können Pflanzen ohne Mensch und Tier existieren – wir aber nicht ohne Pflanzen.

Für uns sind sie lebenswichtige Energie- und Sauerstofflieferanten.

Die Farbstoffe der Plastiden sind nicht immer grün. In Wurzeln wie der Möhre sind sie zum Beispiel orangefarben.

Zudem sind die Farbstoffe nicht wasserlöslich wie jene in der Vakuole. Das erklärt, weshalb sich Wasser rot färbt, wenn wir Rotkohl kochen, aber nicht orange, wenn wir Möhren kochen.

Stoffwechsel bei Bakterien

Bakterien enthalten weder Mitochondrien noch Chloroplasten. Dennoch können sie Strukturen besitzen, die ähnliche chemische Reaktionen übernehmen.

Allerdings sind das dann einfache Einstülpungen der Membranen oder einfache Zellbausteine und keine abgetrennten Reaktionsräume wie bei Eukaryoten.

(Erstveröffentlichung 2009. Letzte Aktualisierung 01.04.2020)