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Prokaryoten Definition
Prokaryoten sind einzellige Mikroorganismen ohne Zellkern. Man kann sie in Bakterien und Archaeen unterscheiden, wobei letztere im Gegensatz zu Bakterien kein Murein in ihrer Zellwand haben.
Murein ist ein Peptidoglykan, das aus vielen Kohlenhydraten besteht, die netzartig angeordnet sind. Diese Struktur verleiht Bakterien Festigkeit und Form.
Das Besondere ist, dass Prokaryoten keine abgetrennten Kompartimente innerhalb der Zelle besitzen. Alle Zellbestandteile schwimmen frei im Plasma. Deswegen haben Prokaryoten auch keinen Zellkern. Somit schwimmt die DNA auch im Zellplasma.
Prokaryoten Aufbau
Wie schon erwähnt, besitzen Prokaryoten keinen Zellkern und bestehen nur aus einer Zelle. Der Aufbau einer prokaryotischen Zelle wird hier anhand von einer Bakterienzelle erklärt.
Abbildung 1: Aufbau einer BakterienzelleQuelle: planet-wissen.de
DNA
Die prokaryotische DNA ist ringförmig und besteht aus einem Doppelstrang. Prokaryoten haben einen haploiden Chromosomensatz, d. h. sie besitzen jedes Chromosom nur einmal. Die Ring-DNA schwimmt wie jeder Zellbestandteil von Prokaryoten frei im Zellplasma.
Außer der Ring-DNA besitzen viele Prokaryoten auch noch Plasmide. Das sind kleine ringförmige DNA-Strukturen, die zusätzliche Erbinformationen enthalten. Diese Plasmide können zwischen Prokaryoten ausgetauscht und unabhängig von der großen Ring-DNA repliziert werden. Es handelt sich also um nicht-chromosomale Erbinformationen.
Die Informationen auf den Plasmiden können etwa Resistenz-Informationen beinhalten. Tauscht eine Bakterienzelle ihr Resistenzgen gegen ein Antibiotikum mit anderen Bakterienzellen, können so Resistenzen einer ganzen Bakterienkolonie entstehen.
Ribosomen
Ribosomen sind aus Proteinen aufgebaut und hauptsächlich an der Proteinbiosynthese beteiligt. Genauer gesagt synthetisieren Ribosomen bei der Translation, d. h. der Übersetzung von mRNA zu Aminosäuresequenzen, Aminosäureketten. Ribosomen haben auch eine ribosomale RNA, auch rRNA genannt.
Die mRNA ist die messenger RNA, die durch die Transkription im Zellkern bei der Proteinbiosynthese entsteht. Die mRNA verlässt den Zellkern, damit Ribosomen die Erbinformationen in Aminosäuren umwandeln können.
Ribosomen bestehen normalerweise immer aus zwei Untereinheiten. Bei Prokaryoten handelt es sich um 70S Ribosomen, die aus einer großen Untereinheit 50S und einer kleinen Untereinheit 30S bestehen.
Das "S" bei der Bezeichnung der Ribosomen ist eine Abkürzung für die Svedberg-Einheit. Sie sagt aus, wie schnell ein Teilchen bei Zentrifugation absinken würde.
Zellmembran
Auch Prokaryoten sind von einer Zellmembran umschlossen, die den Stoffaustausch mit der Umwelt ermöglicht. Die Zellmembran von Prokaryoten ist aus einer Lipiddoppelschicht aufgebaut, in der Proteine und Kohlenhydrate eingebaut sind.
Die Zellmembranen zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien unterscheiden sich. Grampositive Bakterien haben 2 Zellmembranen (außen und innen eine Lipiddoppelschicht), während gramnegative Bakterien nur eine Zellmembran besitzen.
Zellwand
Die Zellwand von Prokaryoten unterscheidet sich wesentlich von pflanzlichen Zellwänden. Während pflanzliche Zellwände aus Cellulose aufgebaut sind, besteht die prokaryotische Zellwand aus dem Peptidoglykan Murein. Die Zellwand dient zum Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen und sorgt für Stabilität und Form der Zelle.
Auch hier gibt es wieder einen entscheidenden Unterschied zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien, wie du unten sehen kannst:
Abbildung 2: Zellwand BakterienQuelle: pharmawiki.ch
Grampositive Zellwand
Die Zellwand von grampositiven Bakterien hat eine dickere Mureinschicht als die von gramnegativen Bakterien. Die Plasmamembran und die Periplasmaschicht zum Inneren hin sind bei grampositiven und gramnegativen Bakterien gleich. Allerdings haben Grampositive nur eine Plasmamembran (Zellmembran).
Gramnegative Zellwand
Gramnegative Zellwände haben eine schmalere Mureinschicht als grampositive Bakterien. Im Gegenzug bestehen gramnegative Zellwände aus zwei Plasmamembranen und zwei Periplasmaschichten.
Die Bezeichnungen gramnegativ und grampositiv kommen von der Gramfärbung. Durch dieses Verfahren kann man testen, um welche Art von Bakterien es sich handelt. Die dickere Mureinschicht der grampositiven Bakterien behält nach der Gramfärbung ihre Farbe, während die Farbe bei gramnegativen Bakterien aufgrund der dünnen Mureinschicht ausgewaschen wird.
Die Zellwände der Archaeen enthalten kein Murein. Jedoch gibt es Archaeen-Gruppen, die eine Art von Murein in ihren Zellwänden beinhalten: das sogenannte Pseudomurein. Es wird so genannt, weil es Murein funktionell sehr ähnlich ist.
Mesosomen
Mesosomen sind Einstülpungen der inneren Plasmamembran. Mesosomen enthalten Enzyme und sind deshalb Orte spezieller Enzymreaktionen. Beispielweise läuft in den Mesosomen die Zellatmung ab. Allerdings wird diskutiert, ob Mesosomen überhaupt als eigene Zellorganellen angesehen werden können.
Geißel
Geißeln, auch Flagellen genannt, sind Schwänze außerhalb der Zelle. Sie sind in der Zellwand verankert und haben eine Art Motor, durch den sich die Geißel bewegt. Somit dienen Geißeln der Fortbewegung der Prokaryoten. Durch die Rotation dieses Motors kommt die Geißel oder die Geißeln in Bewegung. Das kannst du dir wie bei einem Propeller vorstellen.
Genregulation bei Prokaryoten
Unter Genregulation versteht man allgemein die Genaktivität bzw. wie oft Gene bei der Proteinbiosynthese abgelesen werden. Demnach kann die Rate, mit der Gene abgelesen werden können, erhöht oder verringert werden.
Die Genregulation bei Prokaryoten findet hauptsächlich bei der Transkription statt.
Das Operon-Modell von Jacob und Monod ist das Modell für die Genregulation bei Prokaryoten. Es beschreibt, wie die Transkription bei Prokaryoten beeinflusst wird. Ein Operon besteht aus drei Teilen: dem Promotor, dem Operator und den Strukturgenen.
Der Promotor ist die Gensequenz auf der DNA, bei der die RNA-Polymerase binden kann. Einige Gensequenzen vor dem Operon befindet sich ein Regulatorgen, das den Repressor codiert. Der Repressor verhindert im aktiven Zustand die Transkription des Gens. Im aktiven Zustand bindet der Repressor am Operator, was die Transkription blockiert. Ist der Repressor inaktiv, kann die Transkription ganz normal ablaufen.
Bei der prokaryotischen Genregulation gibt es zwei Möglichkeiten: die Substratinduktion und Endproduktrepression.
Substratinduktion
Ein beliebtes Beispiel für die Substratinduktion ist das lac-Operon, das für abbauende Enzyme von Lactose codiert. Die Funktionsweise kannst du in der unten stehenden Abbildung nachvollziehen.
Abbildung 3: Substratinduktion
Wenn keine Lactose vorhanden ist, müssen auch keine abbauenden Enzyme produziert werden. Bei der Substratinduktion wird der Repressor bereits aktiv vom Regulatorgen synthetisiert, sodass der Repressor bei Abwesenheit von Lactose automatisch die Transkription der Lactose-abbauenden Enzyme hemmt.
Ist Lactose im Organismus vorhanden, bindet Lactose an den aktiven Repressor und inaktiviert ihn dadurch. Somit kann der Repressor die Transkription nicht mehr blockieren und Lactose abbauende Enzyme können synthetisiert werden.
Daraufhin wird Lactose abgebaut. Ist Lactose abgebaut und nicht mehr vorhanden, wird der Repressor wieder aktiv, da Lactose den Repressor nicht mehr blockiert. Dann hemmt der Repressor die RNA-Polymerase wieder und es werden keine Enzyme mehr produziert.
Endproduktrepression
Im Gegensatz zur Substratinduktion liegt der Repressor inaktiv vor, wenn kein Substrat vorhanden ist. Bei der Endproduktrepression geht es aber nicht um Herstellung von abbauenden Enzymen, sondern um Gene, die ein Produkt codieren. In diesem Fall ist das Endprodukt der Transkription eine Aminosäure: Tryptophan.
Hierbei ist das Tryptophan-Operon ein bekanntes Beispiel, das du bestimmt auch aus dem Unterricht kennst.
Abbildung 4: Endproduktrepression
Ein Substrat ist ein Stoff, das von Enzymen umgesetzt wird. Das bedeutet, dass Enzyme beispielsweise Substrate spalten oder auch zusammenfügen können. Wenn das Substrat vom Enzym umgesetzt wurde, spricht man von einem Produkt. Das Substrat wird nach Enzymbindung also zu einem Produkt.
Wenn der Repressor inaktiv vorliegt, wird ständig Tryptophan produziert. Erst wenn hohe Mengen an Tryptophan vorliegen, bindet Tryptophan an den Repressor und aktiviert ihn dadurch. Die Bindung von Tryptophan an den Repressor führt zu einer Konformationsänderung des Repressors, sodass er an den Operator binden kann und somit die Transkription stoppt.
Konformationsänderung bedeutet, dass sich die Struktur eines Proteins durch Bindung eines anderen Stoffes so verändert, dass bestimmte Funktionen nicht mehr, oder erst dann durchgeführt werden können. Beispielsweise wird durch Konformationsänderung die Struktur eines Enzyms so verändert, dass das aktive Zentrum zur Bindung an Substrate freigelegt wird. Erst dann kann ein Enzym das Substrat umsetzen.
Das Wichtigste bei der Endproduktrepression ist, dass das Endprodukt, also Tryptophan, für die Kontrolle des Repressors zuständig ist. Daher kommt auch der Name: Das Endprodukt, also Tryptophan, unterdrückt (Repression) die Ablesung des Gens.
Proteinbiosynthese bei Prokaryoten
Bei Prokaryoten besteht die Proteinbiosynthese aus zwei Teilschritten: der Transkription und der Translation. Bei der Transkription wird die DNA in mRNA übersetzt. Bei der Translation werden mithilfe von Ribosomen aus mRNA Aminosäuresequenzen codiert, die sich schließlich zu einem Protein falten.
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Die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten ist im Vergleich zur Proteinbiosynthese von Eukaryoten schneller und einfacher. Das liegt unter anderem daran, dass Prokaryoten eine Ring-DNA haben und es dadurch weniger kompliziert ist.
Dass die prokaryotische DNA nur aus Exons besteht, ist ein weiterer Grund, warum die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten schneller abläuft als bei Eukaryoten. Die eukaryotische DNA bildet sich hingegen aus Exons und Introns. Die Introns müssen bei der eukaryotischen Genmodifikation erst einmal herausgeschnitten werden, was ebenfalls Zeit beansprucht.
Exons und Introns sind Bereiche auf der DNA. Exons beinhalten Gene mit Informationen für ein zu produzierendes Protein. Introns werden bei Eukaryoten nach der Transkription aus der mRNA herausgeschnitten. Diesen Vorgang nennt man auch alternatives Spleißen.
Bei Prokaryoten finden Transkription und Translation im Cytoplasma statt. Da die mRNA aus der Transkription nicht erst durch Kernporen in das Cytoplasma geschleust werden muss, können Transkription und Translation gleichzeitig ablaufen. Somit besteht keine räumliche und keine zeitliche Trennung der beiden Vorgänge.
Prokaryoten und Eukaryoten im Vergleich
Die wichtigsten Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen Pro- und Eukaryoten findest du im Folgenden zusammengefasst.
Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten
In der unten stehende Tabelle findest du die Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten:
| Kategorie | Prokaryoten | Eukaryoten |
| Vertreter | Bakterien, Archaeen | Tiere, Pflanzen |
| Zellgröße | 1–20 µm | 10–50 µm |
| Fortbewegung | Geißeln (Flagellum) in Zellwand verankert, durch Motor | fadenförmige Ausstülpung der Zellmembran, hoch/runter-Bewegung |
| Kompartimentierung | keine Zellorganellen, kein Zellkern | Zellorganellen (z. B. Mitochondrien), Zellkern |
| Erbgut | Bakterienchromosom, Plasmide, frei im Cytoplasma, haploid | DNA im Zellkern als Chromosomen, diploid |
| Zellkern | nicht vorhanden | vorhanden |
| Proteinbiosynthese | im Cytoplasma | im Zellkern und Cytoplasma, alternatives Spleißen |
| Zellwand | Bakterienzellwand aus Murein, bei Archaeen (wenn überhaupt) aus Pseudomurein | nur bei Pflanzenzellen, aus Zellulose |
| Ribosomen | 70 S (50S + 30S) | 80S (60S + 40S) |
Gemeinsamkeiten von Prokaryoten und Eukaryoten
Prokaryoten und Eukaryoten besitzen beide eine Zellmembran aus einer Lipiddoppelschicht. Eine Ausnahme sind dabei allerdings Archaeen, die keine Lipiddioppelschicht, sondern eine einfache Lipidschicht besitzen. Diese wird auch Monolayer genannt.
Auch wenn sich die Ribosomen zwischen Prokaryoten und Eukaryoten unterscheiden, besitzen beide Zellarten doch Ribosomen, was eine Gemeinsamkeit darstellt.
Prokaryoten – Das Wichtigste
- Prokaryoten sind kleine Mikroorgansimen, die nur aus einer Zelle bestehen. Man unterscheidet zwischen Bakterien und Archaeen.
- Prokaryoten besitzen keinen Zellkern und keine Zellorganellen. Das bedeutet, dass auch die DNA frei im Cytoplasma schwimmt. Zusätzlich haben Prokaryoten Plasmide, die zusätzliche Erbinformationen enthalten.
- Die Zellmembran von Bakterien besteht aus Murein, während die meisten Archaeen keine Zellwand besitzen. Eine Gruppe der Archaeen hat aber eine Zellwand, allerdings aus Pseudomurein.
- Man kann zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien unterscheiden. Grampositive Bakterien haben eine dickere Mureinschicht als Gramnegative.
- Die Genregulation der Prokaryoten wird durch das Operon-Modell von Jacob und Monod beschrieben. Hierbei kann man zwischen Substratinduktion und Endproduktrepression unterscheiden.
- Die Proteinbiosynthese von Prokaryoten ist weder räumlich noch zeitlich getrennt. Die DNA der Prokaryoten besteht nur aus Exons und die Proteinbiosynthese läuft insgesamt schneller ab als bei Eukaryoten.
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Prokaryoten
Ist die Translation bei Eukaryoten und Prokaryoten gleich?
Ja die Translation bei Eukaryoten und Prokaryoten läuft ähnlich ab. Beide Vorgänge finden im Cytosol an Ribosomen statt. Der Unterschied besteht aber in der Masse der Ribosomen, die bei Prokaryoten etwas geringer ist.
Wo findet die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten statt?
Die Transkription und Translation der Proteinbiosynthese finden bei Prokaryoten im Cytosol statt.
Was sind Prokaryoten?
Prokaryoten sind einzellige Mikroorganismen ohne Zellkern. Bakterien und Archaeen gehören zu den Prokaryoten.
Woher gewinnen Prokaryoten ihre Energie?
Da Prokaryoten nicht wie Eukaryoten Mitochondrien besitzen, gewinnen sie an ihrer Zellmembran ihre Energie. Manche Prokaryoten können aerob oder anaerob (mit oder ohne Sauerstoff) Energie gewinnen.
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