Genetik: Bakterien - Aufbau und Vermehrung

Name:
Konstantin Beßler, 2012
Julia Heurich, 2016
Annika Schmitt, 2022-02

Was sind Bakterien?

Bakterien bilden die einfachsten Lebensformen auf dieser Erde. Sie kommen nahezu fast überall vor, da sie an extreme Bedingungen wie Hitze oder Kälte sehr gut angepasst sind, jedoch ist jede Bakterienart nur an ein bestimmtes Extremum angepasst, wo sie überleben und sich vermehren kann. Zudem werden Bakterien auch nach ihren Stoffwechselwegen eingeordnet. Bakterien, die Sauerstoff zum Leben benötigen werden als Aerobier bezeichnet und Bakterien, die sich besser ohne Sauerstoff vermehren können, werden als Anaerobier bezeichnet. Außerdem besitzen sie eine Vielfältigkeit an Ernährungsformen. Einige Bakterien wie die Blaualgen können mithilfe von Licht Fotosynthese betreiben und nutzen es als Energiequelle. Man bezeichnet sie als phototroph. Wiederum andere gewinnen ihre Stoffwechselenergie aus anorganischen Stoffen, wie z.B. Ammoniak, diese bezeichnet man als chemoautotroph.

Bakterien zählen zu den Prokaryoten und haben somit keinen Zellkern, ihre DNA schwimmt also frei im Zellplasma herum, was den Hauptunterschied zu Eukaryoten darstellt. Sie sind einzellige Mikroorganismen, können jedoch auch in Kolonien zusammenleben. Man unterscheidet zwischen drei verschiedenen Arten von Bakterien: den kugelförmigen Kokken, den stäbchenförmigen Vibrionen und den spiralartigen Spirillen.

Spirillen

public domain by wikicommonsuser Wolframm Adlassnig; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spirillen.jpg - thank you

Aufbau von Bakterien

Die Bakteriumchromosomen, die aus den größten zirkulären DNA-Molekülen der Bakterien bestehen, schwimmen frei im Zytoplasma der Zelle umher. Den Bereich, in dem sich das Erbgut befindet, nennt man Nucleoid oder Kernäquivalent und hat die gleich Funktion, wie der Zellkern bei Eukaryoten. Außerdem befinden sich im Zytoplasma weitere kleine DNA-Moleküle, die ringförmig und doppelsträngig vorliegen und Plasmide genannt werden. Diese zählen jedoch nicht zu den Chromosomen und können von einem Bakterium zu einem anderen übertragen werden.

Des Weiteren findet man in einer Bakteriumzelle Ribosomen, die bei der Translation im Rahmen der Proteinbiosynthese benötigt werden.
Um dem Zellplasma liegt die Plasma- oder Zellmembran, die für denn Austausch von Stoffen zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle verantwortlich sind, was sie durch Einstülpungen in der Membran (Mesosomen) regelt.

Außerhalb der Plasmamembran befindet sich die Zellwand, die zum einen dazu dient, dass die Zelle ihre Form behält und zum anderen zum Schutz vor zum Beispiel einem Konzentrationsaustausch mit der Umgebung, der durch den osmotischen Druck zu Stande käme und die Zelle zum Platzen bringen würde.
Auch um die Zellwand befindet sich eine Schleimschicht, die als Schutz vor dem Austrocknen des Bakteriums benötigt wird.
Außen an der Zelle befinden sich viele Pili (Plural von Pilus), welche Zellfortsätze sind, die verschiedene Funktionen haben. Sie können zum Beispiel an Feststoffen (um zu verweilen), an Nahrung aus der Umgebung oder an anderen Bakterien (zum Austausch) anheften.
Ansonsten ist an jedem Bakterium ein Flagellum, das auch Geißel genannt wird und ein fadenförmiges Gebilde aus Proteinen ist, welches zu Fortbewegung dient.

Die Größe eines Bakteriums kann zwischen 0,2 und 700 Mikrometer variieren. Der Aufbau eines typischen Bakteriums wie hier dem Darmbakterium sieht folgendermaßen aus:

Quelle Bild: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Germany by Wikipediauser "Mortalmoth"; http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bacterium-schema-de.svg

*Translatation: Umwandlung vom Gen zum Protein (von DNA zu RNA)

Vermehrung von Bakterien

Bakterien vermehren sich asexuell durch Zellteilung. Das bedeutet, dass eine Zelle all ihre Organellen verdoppelt, um sich danach in zwei Teile zu teilen, die jeweils alle "Organe" der Zelle besitzen. Dieser Prozess nennt sich Querteilung. Es sind zwei identische Zellen mit dem gleichen Genom entstanden, die einen Klon bilden.
Die neu entstandenen Zellen sind nun bereit sich wieder zu verdoppeln und werden dies innerhalb der nächsten 30 Minuten tun, wenn die optimale Temperatur, die zwischen 27°C und 37°C liegt, herrscht.

Die Zellteilung findet im sogenannten ORI statt, dem Origin of Replication. Dies ist der Bereich, in dem das Bakterienchromosom an der Plasmamembran befestigt ist. Sie wandert mit dem Wachstum der Zelle. An dem ORI entsteht dann ein Replisom und das Nukleoid, also die DNA, wird repliziert. Danach grenzen sich die beiden Nukleoide voneinander ab und die Zelle beginnt sich aufgrund der Einschnürung zu teilen. Es sind zwei neue Zellen entstanden.
Das Wachstum der Bakterien lässt sich in vier unterschiedliche Phasen unterteilen. Der Vorgang der Replikation wird als Generationszeit bezeichnet. Die Geschwindigkeit des Wachstums der Bakterien ist jedoch sehr individuell und hängt von äußerlichen Faktoren, wie der Nährstoffverfügbarkeit ab.

logistisches Wachstum von Bakterien

1. In der ersten Phase, der Anlaufphase, wächst die Bakterienkultur nur sehr langsam, da sie sich erst an die neuen Lebensbedingungen anpassen muss. Dafür stellen sie bestimmte Enzyme her, die es ihnen ermöglicht die gegebenen Nährstoffangebote zu nutzen.

2. In der zweiten Phase haben sich die Bakterien optimal an ihr Umfeld angepasst und sie beginnen sich durch Zellteilung zu vermehren. Das Wachstum steigt hierbei exponentiell an, d.h. die Anzahl nimmt rapide zu.

3. In der dritten Phase, der stationären Phase, nimmt das Wachstum wieder ab, da die Nährstoffe immer weniger werden und somit auch der Platz schwindet. Jedoch bleibt die Zahl trotzdem stabil, da sich das Absterben und die weitere Vermehrung ausgleicht, somit wurde die maximale Population erreicht. Dies geschieht meist schon innerhalb von 24 Stunden.

4. In der letzten Phase, der sogenannten Absterbephase, wurden die Kapazitäten aufgebraucht und die Bakterien verhungern oder sterben aufgrund der Ausscheideprodukte der anderen Bakterien.