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Genomstruktur in Eu- und Prokaryonten

Einführung in die Zellbiologie

Zellen sind die Grundeinheit aller Lebewesen. Eine Zelle ist die kleinste, sich selbst erhaltende und selbst reproduzierende lebende Einheit. Robert Hooke (1635-1705) entdeckte als Erster Zellen in Kork, aber erst 1838 postulierten Theodor Schwann und Matthias Schleiden, dass alle Organismen aus Zellen bestünden.

Mit wenigen Ausnahmen enthalten alle Zellen folgende Komponenten:

  • Die genetische Information, also das Erbgut einer Zelle, ist in Form von Desoxyribonucleinsäure (DNA) abgelegt, die als Bauplan für die anderen Komponenten der Zelle dient.
  • Zellen enthalten Proteine, die als Strukturproteine die Gestalt der Zelle wesentlich bestimmen und als Enzyme (Biokatalysatoren) den Stoffwechsel ermöglichen.
  • Membranen trennen eine Zelle von ihrer Umgebung und lassen selektiv bestimmte Stoffe ein- oder austreten.

Prokaryonten und Eukaryonten

Alle Lebewesen gehören entweder zu den Prokaryonten oder den Eukaryonten. Diese Einteilung basiert auf dem Vorhandensein eines echten, von einer Membran unhüllten Zellkern. Der Zellkern enthält das Erbgut, die DNA, während bei Zellen ohne Zellkern die DNA frei im Zellplasma vorliegt. Zu den zellkernlosen Prokaryonten zählen die Bakterien (Eubakterien) und die Archaea, während zu den Eukaryonten Tiere, Pflanzen und Pilze gerechnet werden.

Abb.1
Zwei typische Eukaryonten

Pro- und Eukaryonten unterscheiden sich aber nicht nur im Hinblick auf den Zellkern, sondern auch in sehr vielen anderen Eigenschaften bezüglich des Zellaufbaus und des Stoffwechsels. Diese Unterschiede sind ein Hinweis darauf, dass sich Pro- und Eukaryonten schon sehr früh im Verlauf der Evolution vor etwa 3,2 Milliarden Jahren getrennt haben. Heute gehen Wissenschaftler davon aus, dass die komplexer gebauten Eukaryonten aus der Verschmelzung verschiedener Einzeller hervorgegangen sind, also quasi durch einen Vorgang, bei dem ein Einzeller einen anderen Einzeller als "Haustier" aufgenommen hat (Endosymbiose).

Pro- und Eukaryonten haben die gleichen grundlegenden Fähigkeiten und Eigenschaften, die als allgemeine Kennzeichen des Lebens auf der Erde angesehen werden:

  • Vermehrung durch Teilung; dieses trifft auch für die Vererbung der DNA von der Mutter- auf eine Tocherzelle zu. Der DNA-Doppelstrang wird erst geteilt und dann in den Tochterzellen wieder zum Doppelstrang ergänzt (Replikation). Bei diesem Vorgang können auch Fehler passieren (Mutationen), die zu veränderten Nachkommen führen.
  • Stoffwechsel, d.h. die Zellen nehmen Stoffe aus ihrer Umgebung auf, wandeln sie in neue Komponenten bzw. nutzbare Energie um und scheiden nicht verwertbare oder für den Organismus gefährliche Produkte wieder aus.
  • Die Information für den Bauplan wird in Form von DNA abgelegt. Diese DNA wird in Botenstoffmoleküle umgeschrieben (Transkription) und dann in Proteine übersetzt (Translation).
  • Selbst primitivste Zellen reagieren auf die Umwelt bzw. Gegebenheiten innerhalb des Organismus, sie sind also reiz- bzw. erregbar.
  • Schließlich ist auch der Tod eine Eigenschaft lebender Systeme, denn kein individuelles Lebewesen ist unsterblich.

Während ein Einzeller alle Aufgaben in einer einzelnen Zelle erfüllt, gibt es in einem vielzelligen Organismus viele unterschiedlich differenzierte Zelltypen, die jeweils nur bestimmte Aufgaben erfüllen können.

Beispiel

Einige Zahlen dazu: der menschliche Körper besteht aus rund 220 verschiedenen Zelltypen, die die unterschiedlichen Gewebetypen bilden. Die Zellgröße eukaryontischer Zellen beträgt durchschnittlich 10-100 μm (1 μm sind 0,000.001 m, ein millionstel Meter). Die Summe aller Zellen beim Menschen übersteigt die Zahl 1013.

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