Unterschiede zwischen Bakterien, Archaeen und Eukaryoten
Bakterien, Archaeen und Eukaryoten bilden jeweils eine Domäne von Lebewesen. Die Bakterien und Archaeen stellen zusammenfassend die Prokaryoten dar, während zu den Eukaryoten alle Lebewesen zählen, die Zellen mit einem Zellkern besitzen. Hierzu zählen Pflanzen, Pilze, Tiere und einzellige Lebewesen. Somit lassen sich grundlegend alle Lebewesen ohne Zellkern den Prokaryoten zuordnen und alle Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern aufweisen, gehören zu den Eukaryoten.
Inhalt
Morphologische Unterschiede
Die Zellen von Archaeen können verschiedene Erscheinungsformen annehmen. Sehen sie unter dem Lichtmikroskop rund aus, dann bezeichnet man diese als Kokken. Die längliche gestreckte Form wird als Stäbchen bezeichnet. In diese Kategorien lassen sich auch Bakterien gliedern. Im Durchschnitt sind Prokaryotenzellen (Archaeen und Bakterien) etwa 1µm groß, was etwa einem Zehntel einer Eukaryotenzelle entspricht.
Die Archaeen unterscheiden sich einerseits von eukaryotischen Zellen, da ihnen der Zellkern fehlt. Ein weiteres Merkmal, das eine Gemeinsamkeit mit den Bakterien darstellt, ist das Fehlen von Zellorganellen wie z.B. Mitochondrien oder dem Golgi-Apparat. Ein gemeinsames Merkmal von Archaeen und Bakterien ist weiterhin die häufig durchgeführte asexuelle Vermehrung. Dieser Prozess gleicht der normalen Zellteilung von Eukaryoten, da hierbei aus einer Mutterzelle zwei identische Tochterzellen hervorgehen.
Neben den Gemeinsamkeiten, die die Archaeen mit den Bakterien teilen, gibt es auch Eigenschaften, die eine Ähnlichkeit mit den Eukaryoten aufweisen. Ein Beispiel hierfür stellen die RNA-Polymerasen dar. Diese Enzyme dienen primär der Proteinsynthese. Die RNA-Polymerase der Archaeen entspricht der RNA-Polymerase II der Eukaryoten. Die Ribosomen, die ebenfalls an der Proteinsynthese beteiligt sind, ähneln mehr den Ribosomen der Bakterien als denen der Eukaryoten. Die große Untereinheit wird bei den Prokaryoten als 70S Untereinheit bezeichnet, während sie bei den Eukaryoten als 80S Untereinheit bezeichnet wird.
Grundlegende Anatomie einer Bakterienzelle mit: Pilus (Zellfortsatz), Kapsel (capsule), Zellwand (cell wall), Zellmembran (plasma membran), Plamide, Geißel (flagelli), Ribosomen, einer freiliegenden DNA, Cytoplasma
Sowohl bei Eukaryoten als auch bei Prokaryoten existieren Zellwände, die die Zellmembran umgeben. Dies trifft bei Eukaryoten jedoch nur auf Pilze und Pflanzen zu. Die Bestandteile der Zellwand unterscheiden sich jedoch stark. Bei Archaeen besteht die Zellwand hauptsächlich aus Pseudopeptidoglykan und Polysacchariden, während sie bei Bakterien aus Murein (Peptidoglykan) besteht. Peptidoglykan ist ein Polysaccharid-Peptid, das aus Zuckern und Aminosäuren besteht.
Darstellung einer eukaryontischen Zelle (Tiere, Pflanzen, Pilze) und einer prokaryontischen Zelle (Bakterien, Archaeen)
Bei Eukaryoten besteht die Zellwand aus Cellulose, Chitin und anderen Polysacchariden. Die Cellulose ist der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände, während das Chitin in den Zellwänden von Pilzen vorkommt. Die Cellulose ist das weltweit am häufigsten vorkommende Polysaccharid.
Weitere Merkmale von Pro- und Eukaryoten
Aus genetischen Untersuchungen ist hervorgegangen, dass Pro- und Eukaryoten einen gemeinsamen Vorfahren haben. Weiterhin sind einige Zellorganellen der Eukaryoten aus ehemaligen Prokaryoten hervorgegangen. Hierbei sind vor allem die Mitochondrien und die Chloroplasten zu nennen.
Auch hinsichtlich der Fortbewegung liegen einige Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten vor. Damit sich die Zellen fortbewegen können, befinden sich an ihnen sog. Flagellen bzw. Geißeln. Diese können bei Prokaryoten in verschiedenen Weisen vorliegen. Ist die gesamte Zelle von Geißeln umgeben, so wird diese Begeißelung als peritrich bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist Bacillus subtilis. Liegt eine einzige Flagelle an einem Ende der Zelle an, so nennt man dies monopolar (für das eine Ende der Zelle) monotrich (für eine Geißel).
Eine Bakteriengattung, deren Flagellen monopolar monotrich angeordnet sind, ist z.B. Vibrio. Befinden sich mehrere Flagellen an einem Zellpol, so wird dies als monopolar polytrich bezeichnet. Zu finden ist diese Begeißelung bei Pseudomonas. Es können auch mehrere Flagellen an zwei Zellpolen zu finden sein, wodurch diese Form als bipolar polytrich bzw. amphitrich bezeichnet wird.
Solche Flagellen weist die Gattung Spirillium auf. All diese Flagellen rotieren in einer propellerähnlichen Bewegung, wodurch die Zelle einen Vortrieb erhält. Bei Eukaryoten sind die Flagellen nicht zu einer Rotation befähigt, sondern vielmehr zu einer Auf- und Ab-Bewegung, ähnlich wie bei Walflossen. Hierdurch erhalten eukaryotische Zellen ihren Schub.
Eines der eingangs erwähnten Hauptmerkmale, die die Prokaryoten von den Eukaryoten unterscheidet, ist das Vorhandensein bzw. das Fehlen des Zellkerns. Somit entsteht ein signifikanter Unterschied in der Form, in der die DNA vorliegt. Bei Prokaryoten liegt die DNA lose als sog. Nucleoid im Cytoplasma der Zelle vor, während sie bei Eukaryoten dichtgepackt im Zellkern vorliegt. Neben dem Nuleoid liegen innerhalb der Prokaryotenzelle weitere DNA-Ringe, sog. Plasmide vor. Diese fehlen bei Eukaryotenzellen.
Die Plasmide können während der genetischen Rekombination zweier Prokaryotenzellen, der Konjugation, weitergegeben werden, wodurch z.B. Resistenzgene gegenüber verschiedenen Antibiotika ausgetauscht werden. Die Proteinsynthese findet bei Prokaryoten direkt im Cytoplasma statt, während bei Eukaryoten die DNA zunächst aus dem Zellkern in das Cytoplasma transportiert werden muss.
Auch die für die Proteinsynthese notwendigen Prozesse der Transkription und Translation unterscheiden sich bei Pro- und Eukaryoten. Die bei den Prokaryoten im Cytoplasma ablaufenden Prozesse der Transkription und Translation finden sofort nacheinander statt. Bei Eukaryoten existiert hierbei ein Zwischenschritt, die sog. RNA-Prozessierung, bei der die mRNA aus der Transkription überarbeitet wird, damit die Proteinsynthese starten kann.
Die Phylogenie von Pro- und Eukaryoten
Unter der Phylogenie versteht man im Allgemeinen die stammesgeschichtliche Entwicklung aller Lebewesen und deren Verwandtschaft. Hierzu werden anatomische bzw. morphologische Merkmale untersucht, aber auch molekulare Analysen von DNA und RNA spielen eine entscheidende Rolle. Gruppiert man verschiedene Lebewesen, die in gewissen Aspekten Ähnlichkeiten aufweisen und zieht andere hinzu, die in diesen Aspekten Unterschiede aufweisen, so kann man einen Stammbaum erstellen. Anhand des Beispiels von Pro- und Eukaryoten kann dies folgendermaßen aussehen.
Pro- und Eukaryoten haben einen gemeinsamen Vorfahren. Dieser wird hier als „Urzelle“ bezeichnet. Aus dieser Urzelle gingen die ersten Bakterien hervor, die sich weiterentwickelten und teilweise neue Eigenschaften erlangt haben. Im Laufe dieser Evolution entstanden aber auch Merkmale, die nicht eindeutig mit denen der Bakterien übereinstimmen.
Dies liegt u.a. an den Lebensräumen, die erst durch diese Veränderungen von Archaeen besiedelt werden konnten. Aus diesem Grund sind Archaeen zwar mit Bakterien verwandt, bilden aber eine eigene Domäne der zellulären Lebewesen. Als sich die Archaeen parallel zu den Bakterien entwickelt haben, kam es zu einem ersten Ereignis, bei dem eine Archaeenzelle eine Bakterienzelle phagozyitiert (mittels Membranumstülpung einverleibt) haben muss.
Somit lebte eine Bakterienzelle innerhalb einer Archaeenzelle. Da beide Zellen voneinander profitierten, herrschte eine Art der Symbiose, weshalb dieser evolutionäre Ansatz auch als Endosymbiontentheorie bezeichnet wird. Somit lässt sich die Herkunft von Mitochondrien und Plastiden wie z.B. Chloroplasten erklären.
Beide Zellorganellen sind nach dieser Theorie bakteriellen Ursprungs. Auch hierbei bildeten sich wieder veränderte Merkmale aus, wie das Vorhandensein eines Zellkerns, wodurch die ersten Eukaryoten entstanden. Da jedoch aus den Bakterien die Archaeen entstanden und aus einer Mischform von Archaeen und Bakterien die Eukaryoten entstanden, sind die Eukaryoten näher mit den Archaeen verwandt als mit den Bakterien.
Fazit
Archaeen und Bakterien lassen sich als Prokaryoten zusammenfassen, während alle weiteren Lebewesen wie z.B. Pilze, Pflanzen, Tiere und andere Einzeller als Eukaryoten bezeichnet werden. Der Hauptunterschied zwischen Pro- und Eukaryoten liegt im Vorhandensein des Zellkerns. Dieser fehlt bei Prokaryoten.
Bakterien und Archaeen lassen sich anhand ihrer Zellwand und ihrer Zellmembran unterscheiden. Aus verschiedenen Prokaryoten sind vermutlich Organellen der Eukaryoten hervorgegangen. Diese Theorie wird als Endosymbiontentheorie bezeichnet. Ein weiterer Unterschied zwischen Pro- und Eukaryoten liegt in der Proteinsynthese. Diese findet bei Prokaryoten im Cytoplasma und bei Eukaryoten am endoplasmatischen Reticulum statt.
Während bei Prokaryoten die Transkription und Translation während der Proteinsynthese direkt nacheinander geschaltet sind, erfolgt bei Eukaryoten als Zwischenschritt die RNA-Prozessierung. Phylogenetisch sind Eukaryoten näher mit Archaeen verwandt als mit Bakterien, obwohl alle den selben Vorfahren haben.
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