Bakterienzelle

Du hast bestimmt schon von Bakterien gehört. Die kleinen Organismen sind regelmäßig in den Schlagzeilen, weil sie bei Mensch und Tier schwerwiegende Infektionen auslösen können. Zudem gibt es immer mehr Bakterien, die mit den uns zur Verfügung stehenden Medikamenten nicht oder nur schwer behandelt werden können. Doch was ist so ein Bakterium eigentlich?

Aufbau einer Bakterienzelle

Bakterien sind einzellige prokaryotische Lebewesen, das heißt, sie haben wie alle Prokaryoten keinen Zellkern. Neben den Bakterien werden zu den Prokaryoten auch noch die Archaeen gezählt. Eine prokaryotische Zelle wird auch als Pro- oder Protozyte bezeichnet.

Anders als bei eukaryotischen Zellen, schwimmt die DNA bei Prokaryoten also frei im Zytoplasma umher. In Abbildung 1 siehst du den schematischen Aufbau einer Bakterienzelle.

Abbildung 1: Aufbau einer Bakterienzelle Quelle: wikipedia.de

Bakterienformen

Bakterienzellen kommen in unterschiedlichen Gestalten vor. Ihr Durchmesser liegt zwischen 0,1 und 700 µM. Das heißt, die größten Bakterien, wie das Schwefelbakterium Thiomargarita namibiensis, kannst du sogar mit bloßem Auge sehen. Die meisten Bakterienzellen haben jedoch einen Durchmesser von bis zu einem Mikrometer und lassen sich nur mit dem Mikroskop beobachten.

Anhand ihrer Form kannst du Bakterienzellen in unterschiedliche Gruppen einteilen. Eine Übersicht darüber findest du in Abbildung 2.

Abbildung 2: Formen von Bakterien Quelle: wikipedia.de

Die Zellwand der Bakterienzelle

Die Bakterienzelle ist von einer Zellwand und einer Zellmembran umhüllt. Sie ist ein mechanisches Hindernis für unerwünschte Eindringlinge wie etwa Bakteriophagen. Neben der Zellwand und der Zellmembran sind viele Bakterien noch von einer Kapsel oder Schleimhülle, auch Glykokalyx genannt, umgeben, die die Prozyten zusätzlich schützt.

Es gibt zwei großen Bakterien-Typen: den grampositiven und den gramnegativen. Die Einteilung beruht auf dem Verhalten des jeweiligen Bakterien-Typs bei der Gram-Färbung. Grampositive Bakterien lassen sich mit dem dabei verwendeten Farbstoff violett anfärben, gramnegative Bakterien nicht.

Grampositive Bakterien verfügen über eine innere Zellmembran (auch Zytoplasmamembran genannt), über der eine dicke Zellwand liegt. Die Zellwand besteht hauptsächlich aus Peptidoglykan. Dieser Stoff, der auch Murein genannt wird, ist ein verzweigtes Polymer aus Zuckern und Peptiden. In der Zellwand findet man oft auch andere Moleküle, wie Teichonsäuren und Proteine, die mit der Zellwand assoziiert sind. Einige grampositive Bakterien verfügen auch über eine aus Zuckern bestehende Kapsel, die ihnen zusätzlichen Schutz vor Eindringlingen und dem Immunsystem anderer Organismen bietet.

Gramnegative Bakterien verfügen neben einer Zytoplasmamembran und einer Zellwand auch über eine äußere Zellmembran, die sich über die Zellwand spannt. Die Peptidoglykanschicht ist hier wesentlich dünner als bei den grampositiven Bakterien und füllt den Raum zwischen den Membranen nicht völlig aus. Daher verfügen die gramnegativen Bakterien über einen sogenannten periplasmatischen Raum.

Die Zellmembran einer Bakterienzelle

Die Zellmembran einer Bakterienzelle besteht, wie auch die einer eukaryotischen Zelle, aus einer Doppelschicht Phospholipiden. Diese sind aber strukturell unterschiedlich zu denen der Eukaryoten. Die Zellmembran der Bakterienzelle fungiert als Stoffbarriere, da sie nur für wenige Moleküle durchlässig (permeabel) ist. Zudem befinden sich in ihr wichtige Proteine. Das können Transporter für bestimmte Substanzen sein oder nadelartige Strukturen, mit denen Bakterien Giftstoffe in ihre Wirtszellen injizieren (Sekretionssysteme).

Das Zytoplasma und das Periplasma

Wie du dir vielleicht vorstellen kannst, ist eine Bakterienzelle in ihrem Inneren nicht einfach leer. Die Zellbestandteile, wie die DNA oder Ribosomen, "schwimmen" in einer Flüssigkeit, die sich Zytosol nennt. Das Zytosol besteht hauptsächlich aus Wasser und dient als Reaktionsraum für sämtliche Stoffwechselprozesse, die in der Zelle ablaufen. Zusammen mit den festen Zellbestandteilen wird das Innere einer Bakterienzelle als Zytoplasma bezeichnet.

Gramnegative Bakterien verfügen noch über einen zusätzlichen Bereich zwischen der Zellwand und der äußeren Membran, der sich periplasmatischer Raum nennt. Dieser ist mit dem Periplasma gefüllt. Das Periplasma hat dieselbe Funktion wie das Zytoplasma.

Membraneinstülpungen

Vielleicht hast du im Zusammenhang mit Bakterien den Begriff Membraneinstülpung oder Mesosom gehört. Hierbei handelt es sich jedoch um ein sogenanntes Artefakt.

Das heißt, Mesosomen, also auffällige Einstülpungen der Membran, wie du sie vielleicht von Chloroplasten oder Mitochondrien kennst, treten bei Bakterien nicht natürlich auf. Sie sind vermutlich das Ergebnis einer Membranschädigung durch Chemikalien.

Flagellen

Einige Bakterienzellen können sich aktiv fortbewegen. Dazu nutzen sie sogenannte Flagellen. Dabei handelt es sich um lange Proteinfäden, die in der Zellwand und der Zytoplasmamembran befestigt sind. Dabei kann eine Bakterienzelle über eine (monotrich), mehrere in einem Büschel angeordnete (lophotrich) oder ringsherum über die gesamte Oberfläche verteilte (peritrich) Flagellen verfügen.

Die Flagellen können um die eigene Achse rotieren und ermöglichen so die Fortbewegung der Zelle.

Pili und Fimbrien

Pili oder Fimbrien sind lange Proteinfäden, die sich ebenfalls auf der Oberfläche einiger Bakterien befinden. Sie erleichtern es den Bakterienzellen, an bestimmten Oberflächen zu haften. Bestimmte Pili, wie beispielsweise der F- oder Sexpilus, werden von den Zellen verwendet, um genetisches Material untereinander auszutauschen.

Zellorganellen der Bakterienzelle

Im Gegensatz zu eukaryotischen Zellen besitzen Bakterienzellen keine Zellorganellen. Diese durch eine Membran abgegrenzten, funktionellen Einheiten innerhalb der Zelle, wie das endoplasmatische Retikulum oder den Glogi-Apparat, findest du nur in eukaryotischen Zellen. Einige Bakterien, die beispielsweise Photosynthese betreiben, verfügen jedoch über intrazelluläre Membranen (Thylakoiden), die einen Raum für bestimmte Stoffwechselprozesse bieten.

Ribosomen

Die Ribosomen sind die Proteinfabriken der Bakterienzelle. An den Ribosomen kommen die Proteinbaupläne in Form der sogenannten messenger RNA (mRNA) an und werden Stück für Stück aus Aminosäuren zusammengesetzt.

Die bakteriellen Ribosomen erfüllen dabei die gleichen Aufgaben wie die eukaryotischen Ribosomen. Allerdings sind sie kleiner und ein wenig anders aufgebaut. Sie werden auch als 70S Ribosomen bezeichnet und bestehen aus je einer 50S und 30S Untereinheit.

DNA in der Bakterienzelle

Wie bei allen anderen Organismen ist die DNA auch in Bakterien Träger der Erbinformation. In Bakterienzellen kommen zwei DNA-Typen vor: Chromosomen und Plasmide.

Das Bakterienchromosom

Das größte DNA-Molekül einer Bakterienzelle wird auch als Bakterienchromosom bezeichnet. Die DNA liegt Bakterienzellen meist als doppelsträngiges, ringförmiges Molekül frei im Zytosol vor. Der Bereich um das Chromosom wird auch als Nukleoid oder Kernäquivalent bezeichnet. Die bakterielle DNA ist in der Regel über einen Millimeter lang. Bakterien besitzen nur ein Chromosom.

Plasmide

Als Plasmid bezeichnet man kleine ringförmige DNA Moleküle, die nicht zum bakteriellen Chromosom gehören. Plasmide enthalten oft Baupläne für zusätzliche Proteine und können sogar zwischen Bakterien übertragen werden. In der Gentechnik benutzt man Plasmide häufig, um Bakterien gezielt bestimmte Proteine produzieren zu lassen.

Vermehrung und Lebensweise von Bakterienzellen

Dass Bakterienzellen anders sind als tierische oder pflanzliche Zellen, weißt du nun schon. Dies zeigt sich auch besonders in ihrer Art sich fortzupflanzen und ihren vielfältigen Lebensweisen.

Vermehrung

Bakterien vermehren sich durch Zellteilung. Das heißt, aus einer Zelle entstehen zwei identische Klone. Es handelt sich also um eine asexuelle Form der Fortpflanzung. Für eine komplette Teilung benötigen die schnellsten Bakterien etwa 20 Minuten. Da bei der Zellteilung aus einer Bakterienzelle zwei werden, bezeichnet man das Wachstum von Bakterienpopulationen als exponentiell. Das heißt, dass sich die Bakterienzahl der Kultur bei schnellwachsenden Bakterien alle 20 Minuten verdoppelt.

Zu solchen schnellwachsenden Bakterien zählen meist klinisch relevante Erreger wie Staphylokokken, Streptokokken oder Enterobakterien (zum Beispiel Escherichia coli). Einige Erreger lassen sich jedoch deutlich mehr Zeit, wie etwas das Mycobakterium tuberculosis, der Auslöser der Tuberkulose. Bakterien dieser Spezies benötigen bis zu 18 Stunden für eine Teilung – ein Grund übrigens, warum deren Entdeckung so schwierig war.

Die Zellteilung kann dabei mittig (äqual) oder an einem Ende der Bakterien (inäqual) erfolgen. Einige Bakterien vermehren sich auch durch die sogenannte Knospung, andere bilden Sporen.

Lebensweise

So vielfältig wie die bakteriellen Lebensräume sind auch deren Lebensweisen. Einige Bakterien können nicht ohne Sauerstoff wachsen – sie sind aerob.

Für andere wiederum ist Sauerstoff schädlich. Diese Bakterien bezeichnet man als obligat anaerob.

Dazwischen gibt es fakultativ anaerobe Bakterien, die Sauerstoff zwar vertragen, ihn aber nicht zwingend benötigen. In der folgenden Tabelle findest du ein paar Beispiele für die jeweiligen Lebensweisen.

Neben ihre Vorliebe oder Abneigung für Sauerstoff kannst du Bakterien auch anhand ihrer Nahrung aufteilen. So sind die sogenannten Purpurbakterien alle phototroph. Diese benötigen, wie Pflanzen, Licht als Energiequelle.

Die meisten Bakterien sind jedoch heterotroph, das heißt, sie nehmen, wie wir, energiereiche organische Substanzen auf und bauen sie unter Freisetzung von Energie ab. Die aufgenommenen Stoffe verwenden sie auch, um eigene Zellbestandteile aufzubauen. Es gibt jedoch auch chemoautotrophe Bakterien, die alle benötigten Stoffe aus energiearmen, meist anorganischen Verbindungen selbst herstellen.

Vorkommen von Bakterienzellen

Bakterien kommen an den unterschiedlichsten Orten vor. Sogar an den unwirtlichsten Plätzen der Erde, wie etwa an unterseeischen Schwarzen Rauchern, kannst du sie finden. Auch in und auf unserem Körper befinden sich unzählige Winzlinge.

Bakterienzellen in der Natur

Fast überall in deiner Umwelt ist das nächste Bakterium nicht weit. Du findest sie im Boden (zum Beispiel Bakterien der Gattung Bacillus) oder im Wasser (zum Beispiel Cyanobakterien).

Bakterienzellen in und auf Menschen

Auch in und auf uns tummeln sich viele Bakterien. Die meisten davon sind harmlos. Sie werden als Kommensalen bezeichnet.

Bei einigen Bakterien haben sich mit der Zeit allerdings auch symbiontische Beziehungen zu uns entwickelt.

Die Gesamtheit aller Bakterienzellen und anderen Mikroorganismen, die auf und in uns leben, nennt man Mikrobiom.

Bakterien im Darm

Besonders in den letzten Jahrzehnten hat die Erforschung der Bakterien und anderen Mikroorganismen, wie Archeen und Pilzen an Bedeutung gewonnen. Die Mikroorganismen, die in unserem Darm leben, bezeichnet man auch als Darmflora.

Im Darm eines erwachsenen Menschen tummeln sich nach derzeitigen Schätzungen Bakterien aus bis zu 1800 Gattungen mit etwa 36 000 Arten. Im Dickdarm leben unter anderem Bakterien der Gattungen Bacteroides, Bifidobacterium und Clostridum. Die meisten davon sind obligat anaerob. Im Dünndarm findest du vor allem fakultativ anaerobe Bakterien wie Enterococcen oder Laktobazillen. Die Bakterien unseres Darms sind wichtig, da sie verhindern, dass dieser durch gefährliche (pathogene) Erreger besiedelt wird.

Bakterien im Magen

Im Magen findest du in der Regel keine Bakterien. Der Grund? Es ist einfach zu sauer dort. Die Magensäure macht es den meisten Bakterien schwer, sich im Magen dauerhaft niederzulassen.

Es gibt jedoch ein Bakterium, von dem du in diesem Zusammenhang vielleicht schon gehört hast: Helicobacter pylori. Das Bakterium lebt jedoch streng genommen nicht im Lumen des Magens, also dort, wo sich die Magensäure befindet, sondern dringt in dessen Schleimhaut ein. Dadurch kann der gramnegative Helicobacter pylori eine Magenentzündung (Gastritis) auslösen, die bis zu Durchbrüchen der inneren Magenschleimhaut (Ulzerationen) führen kann. Die Entzündungen können sogar zu bestimmten Formen von Magenkrebs führen.