Zytoplasmamembran und Zytoplasma von Bakterien

Zytoplasmamembran (ZPM)

Die innere Zellmembran stellt eine „flüssige“ und dynamische Struktur dar, die in ihrer chemischen Organisation der Plasmamembran tierischer Zellen sehr ähnlich ist. Die Grundlage der Membran bildet eine doppelte Lipidschicht (Phospholipid-Bisschicht), in die verschiedene Proteine integriert sind.

Bei elektronenmikroskopischer Untersuchung erscheint die ZPM als deutliche dreischichtige Struktur. Sie besteht aus zwei äußeren dunklen Schichten mit einer Dicke von jeweils ca. 2,5 nm und einer sie trennenden hellen Zwischenschicht. Die Proteinkomponente der Membran umfasst integrale Proteine, die die Doppelschicht vollständig durchspannen. Ein erheblicher Teil dieser Moleküle fungiert als Permeasen — spezialisierte Transporter, die den Transport von Substanzen in die Zelle hinein und nach draußen gewährleisten.

Funktionen der Zytoplasmamembran:

• Dient als Barriere, die das Zytoplasma strikt abgrenzt.
• Reguliert den intrazellulären osmotischen Druck.
• Führt den Transport von Metaboliten und Nährstoffen durch.
• Spielt eine Schlüsselrolle im Energiestoffwechsel. Prokaryoten besitzen keine Mitochondrien, weshalb die Enzyme der Elektronentransportkette und ATPasen direkt in der Zytoplasmamembran lokalisiert sind.

Membranderivate: Mesosomen und Invaginationen

Wenn die bakterielle Membran schneller wächst als die sie umgebende Zellwand, bilden sich spezifische Einstülpungen in das Zytoplasma — Invaginationen. Nach dem Grad ihrer strukturellen Organisation werden sie üblicherweise in zwei Gruppen unterteilt:

1. Intrazytoplasmatische Membranen — Gebilde von relativ einfachem Aufbau.
2. Mesosomen — komplex gewundene, mehrstufige Membranstrukturen.

In der wissenschaftlichen Gemeinschaft wird nach wie vor über die Natur der Mesosomen diskutiert. Einige Forscher unterstützen die Hypothese, dass es sich dabei um ein Artefakt handelt, das während der chemischen Fixierung von Präparaten für die Elektronenmikroskopie entsteht. Die traditionelle Ansicht schreibt den Mesosomen jedoch eine Beteiligung an den wichtigsten und äußerst energieintensiven Prozessen der Bakterienzelle zu. Man geht davon aus, dass sie an der Zellteilung beteiligt sind (indem sie die korrekte Segregation der DNA-Moleküle gewährleisten), Energie für die Synthese einer neuen Zellwand liefern und zudem an der Sekretion von Substanzen und der Sporulation mitwirken.

Zytoplasma und proteinbiosynthetischer Apparat

Das Zytoplasma nimmt das Haupt- und Großvolumen der Bakterienzelle ein. Es ist ein komplexes kolloidales System, das lösliche Proteine, verschiedene Arten von RNA, Ribosomen und diverse Einschluesse umfasst.

Eigenschaften der Ribosomen Prokaryotische Ribosomen haben eine Größe von ca. 20 nm und stellen den Hauptapparat der Proteinsynthese dar. Ihr Hauptunterschied zu eukaryotischen Ribosomen liegt im Sedimentationskoeffizienten: bei Bakterien beträgt dieser 70S, während er bei Eukaryoten 80S beträgt. Dieser strukturelle Unterschied hat eine enorme medizinische Bedeutung. Genau darauf beruht das Prinzip der selektiven Toxizität vieler antibakterieller Medikamente: Sie hemmen gezielt die Proteinsynthese an den bakteriellen 70S-Ribosomen, ohne dabei die Zellen des menschlichen Organismus zu schädigen.

Das 70S-Ribosom dissoziiert in zwei funktionelle Untereinheiten:

• Kleine Untereinheit (30S): enthält ein 16S-rRNA-Molekül.
• Große Untereinheit (50S): enthält ein 23S-rRNA-Molekül.

Ribosomale RNAs sind hochkonservative Elemente und quasi die „molekularen Uhren“ der Evolution von Mikroorganismen. Insbesondere dient die Struktur der 16S-rRNA als fundamentale Grundlage der Genosystematik, die eine präzise Bestimmung des evolutionären Verwandtschaftsgrades zwischen verschiedenen Organismen ermöglicht.

Zytoplasmatische Einschluesse

Einschluesse bilden sich im Zytoplasma, wenn in der Umgebung ein Überschuss an Nährstoffen herrscht. Sie erfüllen die Funktion eines strategischen Kohlenstoff- und Energiespeichers, den das Bakterium in Hungerperioden verbraucht. Zu den Haupttypen solcher intrazellulären Speicher gehören Glykogenkörner, stärkeähnliche Polysaccharide, $\beta$-Hydroxybuttersäure und Polyphosphate.

Volutin (Polyphosphatkörner) Volutinkörner stellen Granula aus polymerisiertem anorganischem Polyphosphat dar. Bei der Elektronenmikroskopie erscheinen sie als elektronendichte Bereiche mit einer Größe von 0,1 bis 1,0 µm, die sich meist an den Zellpolen lokalisieren.

Die physikochemische Haupteigenschaft von Volutin ist seine hohe Affinität zu basischen Farbstoffen und seine Fähigkeit zur Metachromasie (Änderung der Ausgangsfarbe des Farbstoffs). Bei Verwendung von Methylenblau oder Toluidinblau sowie bei der Färbung nach Neisser nehmen die Volutinkörner eine intensive rot-violette Farbe an, während das Zytoplasma selbst blau angefärbt wird. Dieses Phänomen ist von herausragender diagnostischer Bedeutung: Das Vorhandensein charakteristischer metachromatischer Körner an den Zellpolen ist ein Schlüsselmerkmal für die实验室identifizierung des Diphtherieerregers (Corynebacterium diphtheriae).

Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema

Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen

Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt

• Mechanismen der Membranpermeasen und Arten des Stofftransports
• Rolle von Invaginationen bei der DNA-Segregation während der Zellteilung
• Prinzipien der Genosystematik basierend auf der 16S-rRNA-Analyse
• Technik der bakteriologischen Präparatefärbung nach Neisser
• Metabolismus der $\beta$-Hydroxybuttersäure bei Bakterien

Weitere Themen aus dem Bereich „Morphologie und Klassifikation der Mikroben“

Das Material wurde von Dozenten von WhiteCoat Pro nach dem Lehrplan medizinischer Hochschulen erstellt. Es hat Bildungscharakter.