Unterschiede zwischen Bakterien-, Tier- und Pflanzenzelle
Tier-und Pflanzenzellen sind eukaryotische Zellen
Grundlegend lässt sich eine Unterteilung zwischen Bakterien-, Tier- und Pflanzenzellen darstellen, indem die Bakterienzellen zu den Prokaryoten gezählt werden, während die Tier- und Pflanzenzellen zu den eukaryotischen Zellen gehören. Der wesentliche Unterschied zwischen Eucyten (eukaryotischen Zellen) und Procyten (prokaryotischen Zellen) besteht im Aufbau des Zellkerns, der das gesamte Erbgut der Zelle enthält.
Bei eukaryotischen Zellen ist die Erbinformation in einen Zellkern eingebettet, bei Prokaryonten nicht
Bei Eucyten ist das Erbgut, die DNA, von einem Zellkern umgeben, der wiederum aus zwei Membranen besteht. Bei Procyten fehlt dieser vollständig – hier liegt das Erbgut in freischwimmender Form vor. Weitere Unterschiede zwischen Pro- und Eucyten lassen sich im weiteren Aufbau der jeweiligen Zellen feststellen, ebenso in deren physiologischen Prozessen.
Der unterschiedliche Aufbau
Das Erbgut von Procyten liegt normalerweise frei im Cytoplasma vor. Dennoch existieren bei einigen Bakterien sogenannte Plasmide. Plasmide sind ringförmige DNA-Strukturen, die bei der Konjugation von Bakterien dazu genutzt werden können, Resistenzgene o.ä. auszutauschen. Solche Plasmide fehlen bei Eucyten vollständig.
Grundbauplan einer prokaryontischen Zelle – wie sie im Bakterium vorliegt
Eine Zellwand, die die Zellmembran auf der Außenseite umgibt, existiert sowohl bei Prokaryoten als auch bei Eukaryoten. Bei Bakterien besteht diese in der Regel aus einer mehrschichtigen Matrix aus Murein-Molekülen. Bei Eukaryoten lässt sich eine Zellwand lediglich bei Pflanzen und Pilzen finden.
Der Aufbau der pflanzlichen und pilzlichen Zellwand unterscheidet sich von der bakteriellen Zellwand. Die Pflanzliche Zellwand besteht hauptsächlich aus Cellulose, während die Zellwand der Pilze überwiegend aus Chitin besteht. Das Chitin, das in der Zellwand der Pilze vorkommt, existiert auch bei vielen Insekten als Hauptbestandteil des Exoskeletts.
Einzellige Eukaryoten und einige Prokaryoten besitzen Geißeln, damit sie sich fortbewegen können. Deren Bewegungsablauf unterscheidet sich jedoch stark voneinander. Die bakterielle Geißel (bei manchen Arten auch mehrere Geißeln) rotiert propellerähnlich durch das umgebende Medium und sorgt so für einen Vortrieb.
Eukaryotische Geißeln vollführen nur eine Auf- und Ab-Bewegung, ähnlich der einer Walflosse, wodurch die Fortbewegung garantiert wird. Eine geißelähnliche Struktur, die sog. Pili, fehlen bei Eukaryoten, während sie bei vielen Bakterien existieren. Diese Pili dienen den Bakterien einerseits dazu, sich an verschiedenste Substrate anzuheften, aber auch zum Ausbilden einer sog. Plasmabrücke zwischen zwei Bakterienzellen, damit die Konjugation durchgeführt werden kann.
Ein weiterer essenzieller Unterschied zwischen Bakterien und Eukaryoten im Allgemeinen ist die unterschiedlich stark ausgeprägte Kompartimentierung der Zelle. Während bei Bakterien das einzige Zellorganell das Ribosom ist, gibt es bei Eukaryoten weitaus mehr Zellorganellen.
Unter anderem unterscheidet sich auch der Aufbau der Ribosomen von Bakterien und Eukaryoten. Bei Eukaryoten findet man den sog. 80S-Typ von Ribosomen vor, während bei Bakterien der 70S-Typ vorherrscht. Grundsätzlich ist der 80S-Typ größer als der 70S-Typ. Weiterhin können bei Eukaryoten auch sog. Polysomen existieren. Dies ist eine Reihenschaltung aus verschiedenen Ribosomen, die die Proteinbiosynthese optimieren.
Die weiteren Zellorganellen der Eukaryoten dienen der örtlichen Trennung verschiedener Reaktionsräume. Ein Beispiel hierfür ist das sog. Endoplasmatische Retikulum, das in der direkten Nähe des Zellkerns zu finden ist. Durch viele Einstülpungen wird die Oberfläche vergrößert und durch die Nähe zum Zellkern der Weg der Proteinbiosynthese verkürzt. Im endoplasmatischen Retikulum, genauer im rauen endoplasmatischen Retikulum, befinden sich äußerst viele Ribosomen, die während der Proteinbiosynthese aus einem abgelesenen DNA-Fragment ein Protein synthetisieren.
Ebenfalls existieren bei Eukaryoten die sog. Mitochondrien. Die Mitochondrien dienen hauptsächlich dem Energiestoffwechsel der Zellen. Sie bestehen aus zwei Membranen. Die äußere Membran ist glatt, während die innere Membran viele Einstülpungen aufweist. Sie enthalten eine eigene DNA und eigene Ribosomen vom 70S-Typ. Zu den vielfältigen Stoffwechselprozessen, die in den Mitochondrien ablaufen, zählen z.B. der Citratzyklus, die Atmungskette, der Fettsäureabbau und der Aminosäureabbau.
Bei phototrophen Eukaryoten (Organismen, die Photosynthese betreiben) liegen innerhalb der Zelle auch Chloroplasten vor. Innerhalb der Chloroplasten, die nach außen von einer glatten Membran umschlossen sind, gibt es viele lamellenähnliche Strukturen, die sog. Grana-Thylakoide. In ihnen findet die lichtabhängige Reaktion der Photosynthese statt.
Ähnlich wie die Mitochondrien besitzen auch die Chloroplasten eine eigene DNA und eigene Ribosomen vom 70S-Typ. Da es auch phototrophe Bakterien gibt, existieren ähnliche Strukturen auch bei Bakterien. Diese sind jedoch nicht von einer Membran umhüllt und werden als Thylakoid bezeichnet.
Ein weiteres Zellorganell der Eukaryoten ist der Golgi-Apparat. Der Golgi-Apparat ist die Sammelbezeichnung für alle Dictyosomen einer einzelnen Zelle. In den Dictyosomen finden Reaktionen statt, die zum Aufbau der Zellmembran und der Zellwand beitragen. Ebenso werden dort Proteine aus dem endoplasmatischen Retikulum verpackt und abtransportiert. Neben den Proteinen werden auch Lipide (Fette) umhüllt und zum Weitertransport vorbereitet.
Obwohl Bakterien im Vergleich zu Eukaryoten einen einfacheren Aufbau aufweisen, ist ihre Physiologie nicht weniger komplex.
Physiologische Unterschiede
Die physiologischen Unterschiede von Bakterien und Eukaryoten lassen sich hauptsächlich nur artübergreifend bzw. je nach ökologischer Nische feststellen. Grundsätzlich existieren phototrophe Bakterien, wie z.B. Cyanobakterien, die eine ähnliche Photosynthese betreiben wie die an Land lebenden Pflanzen. Dennoch gibt es auch heterotrophe Bakterien, die sich von organischen Substraten ernähren, um ihren Zellstoffwechsel aufrechtzuerhalten.
Eine ähnliche Heterotrophie lässt sich auch bei allen Tieren finden. Eine Mischform aus Phototrophie und Heterotrophie stellt die Chemotrophie dar. Hierbei werden Moleküle aufgenommen, wobei durch deren Abbau Energie frei wird, die zur Synthese anderer lebenswichtiger Moleküle genutzt wird. Diese Chemotrophie lässt sich sowohl bei einigen Bakterien als auch bei vielen Pilzen beobachten.
Grundsätzlich lassen sich weitere Stoffwechselprozesse danach kategorisieren, ob für die Reaktion Sauerstoff notwendig ist, oder nicht. Bei der Gärung von Ethanol (Trinkalkohol) wird kein Sauerstoff benötigt, bzw. der Ausschluss von Sauerstoff ist hierfür sogar notwendig. Solche Prozesse werden auch als anaerob bezeichnet.
Sowohl Eukaryoten als auch Bakterien können anaerobe Stoffwechselprozesse durchführen. Die alkoholische Gärung wird beispielsweise von verschiedenen Hefe-Arten (Eukaryoten, da Pilze) durchgeführt, aber auch Bakterien sind dazu in der Lage. Zwei Bakterienarten, die Ethanol gären können, sind z.B. Sarcina ventriculi und Zymomonas mobilis.
Der finale Unterschied des physiologischen Prozesses besteht in den einzelnen enzymatischen Reaktionen des gesamten Reaktionsweges. Während Sarcina ventriculi die selben enzymatischen Reaktionen durchführt wie die Hefe, nutzt Zymomonas mobilis andere Enzyme um das Endprodukt herzustellen. Doch auch Tiere können anaerobe Prozesse durchführen.
Als Beispiel hierfür dient die Laktat-Gärung in den Muskeln. Wird ein Muskel aufgrund zu großer Anstrengung nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff versorgt, so ist die Energieversorgung noch nicht komplett unterbrochen. Durch einen anaeroben Reaktionsweg wird Milchsäure gegoren, wobei ATP (Adenosintriphosphat) generiert werden kann, um den Muskel kurzzeitig mit Energie zu versorgen.
Abschließend lässt sich sagen, dass die physiologischen Unterschiede lediglich artübergreifend festzustellen sind und nur auf enzymatischer Ebene nachzuweisen sind. Je nach ökologischer Nische haben sich spezialisierte Stoffwechselprozesse herauskristallisiert, die bei anderen Arten aus anderen ökologischen Nischen zwar fehlen, nicht jedoch grundsätzlich alle Arten betreffen.
Wieso existieren diese Unterschiede
Im Laufe der Evolution kam es laut der Endosymbiontentheorie zu einer Verschmelzung von Prokaryoten, aus denen die heute bekannten Eukaryoten hervorgegangen sind. Dies lässt sich insbesondere anhand der Chloroplasten und Mitochondrien nachweisen. Sowohl bei den Chloroplasten als auch bei den Mitochondrien liegen bakterientypische Ribosomen vor, ebenso eine eigenständige DNA.
Physiologische Unterschiede bestanden zunächst im Umgang mit Sauerstoff. Da Sauerstoff für die ursprünglichen Bakterien giftig war, kam es zu einem Massenaussterben dieser Arten, als die ersten phototrophen Organismen Sauerstoff in großen Mengen produzierten. Ebenso war die Existenz von Pilzen für das Leben an Land unerlässlich, da diese verschiedenen Mineralien abbauten, wobei diese Abbauprodukte den Nährboden für die ersten Pflanzen darstellten.
Im Laufe der weiteren Evolution kam es zur weiteren Anpassung der Chloroplasten und Mitochondrien, wodurch sie vollständig in die eukaryotischen Zellen integriert wurden und sogar Bestandteile ihres eigenen Erbguts verloren. Weitere Gründe, die die Unterschiede im Aufbau und der Physiologie belegen, sind die fortschreitende Anpassung an Lebensräume und die weitere Spezialisierung der einzelnen Organismen.
Wenn man darüber hinaus die Evolution von Bakterien über Archaeen zu den heutigen Eukaryoten verfolgt, erschließt sich die Endosymbiontentheorie nahezu von selbst. Die doppelten Membranen von Chloroplasten und Mitochondrien sind ein Indiz dafür, dass durch die Aufnahme einer Bakterienzelle, ohne diese zu verdauen, die Funktion dieser Zelle in die ursprüngliche Zelle integriert wurde.