Prokaryote celler: opbygning, gramfarvning og binær fission

Du har lige nu over 38 billioner bakterier i din tarm. De er alle prokaryote celler, og de har eksisteret på Jorden i næsten 4 milliarder år, længe inden du, en orm eller en blomst kom til. Alligevel er de fleste gymnasieelever overraskede, når de opdager, hvor radikalt anderledes disse celler er fra dem, kroppen selv er opbygget af. Prokaryote celler er verdens mest succesrige livsform målt på biomasse, og de har en opbygning, der er både primitiv og ekstremt funktionel på samme tid.

Prokaryote og eukaryote celler er to fundamentalt forskellige måder at organisere livet på. Forstår du den forskel til bunds, falder resten af cellebiologien nemmere på plads, uanset om du skal til eksamen i biologi B eller blot er nysgerrig. Har du brug for hjælp undervejs, står Toptutors' biologiundervisere klar med en gratis prøvetime.

Hvad er prokaryote celler?

Ordet 'prokaryot' er sammensat af latin og græsk: 'pro' betyder 'før', og 'karyon' betyder 'kerne'. Prokaryote celler opstod altså bogstaveligt talt 'før kernen'. Ifølge lex.dk's artikel om prokaryoter, skrevet af professor Niels Høiby fra Københavns Universitet, er de første prokaryote organismer fundet som spor i de ældste bjergarter i Grønland, dateret til ca. 3,8 milliarder år siden. I dag udgør prokaryoter størsteparten af Jordens samlede biomasse.

Den centrale forskel på en prokaryot og en eukaryot celle kan sammenfattes i ét spørgsmål: er der en membranomsluttet cellekerne? Hos prokaryoter er svaret nej. DNA flyder frit i cytoplasmaet samlet i et område kaldet nukleoidet, og der er ingen organeller med egne membraner. Det gør prokaryote celler strukturelt simple, men biologisk set ekstremt veltilpassede.

Opbygningen af en prokaryot celle

Forestil dig en prokaryot celle som et enkelt rum uden skillevægge. Der er ingen særskilte afdelinger til DNA, ingen mitokondriekvarter og ingen sorteringscentral. Alt foregår i det samme cytoplasma. Og alligevel er denne celle ekstremt effektiv: den regulerer sin kemi, replikerer sit arvemateriale og deler sig hurtigere end nogen eukaryot celle kan.

En vigtig detalje at hæfte sig ved: prokaryote ribosomer er af typen 70S, mens eukaryote cellers cytoplasmatiske ribosomer er 80S. Denne forskel er ikke tilfældig at kende. Mange antibiotika virker præcis ved at blokere de prokaryote 70S-ribosomer og stoppe bakteriernes proteinsyntese, uden at ramme kroppens egne 80S-ribosomer. Det er grunden til, at antibiotika kan slå bakterier ihjel uden at skade dig selv.

Plasmider er en anden egenskab, der er værd at forstå. Et plasmid er et lille cirkulært DNA-molekyle, der eksisterer uafhængigt af cellens kromosom. Plasmider kan indeholde nüttige gener, fx antibiotikaresistens, og de kan overføres fra celle til celle, også på tværs af bakteriearter. Det er én af grundene til, at antibiotikaresistens kan sprede sig så hurtigt.

Prokaryote og eukaryote celler: en sammenligning

Hvad har du og en E. coli-bakterie rent biologisk til fælles? Faktisk ikke så lidt: samme genetiske kode, de samme 20 aminosyrer og ribosomer til proteinsyntese. Men organisationsniveauet er vidt forskelligt. Du er opbygget af eukaryote celler med hundredvis af specialiserede organeller. En E. coli-bakterie har ingen af dem.

Eukaryote celler menes at have udviklet sig fra prokaryote celler via en proces kaldet endosymbiose. En prokaryot celle blev for milliarder af år siden optaget i en anden celle og gradvist omdannet til et organel. Mitokondriet og kloroplasten er evolutionære efterkommere af frie prokaryoter. Den endosymbiotiske teori forklarer, hvorfor disse organeller stadig har deres eget DNA og ribosomer, og hvorfor mitokondrielle ribosomer er 70S ligesom prokaryoters.

Det er værd at bide mærke i, at eukaryote celler generelt er 10 til 100 gange større end prokaryote. En typisk bakterie har en diameter på 1-2 µm, mens en menneskelig celle gænnemsnitlig er 10-20 µm i diameter. Denne størrelsesforskel hænger direkte sammen med kompleksiteten: eukaryote celler har langt mere intern struktur at håndtere.

Bakterier og arkæer: de to typer prokaryoter

De fleste sætter prokaryoter lig med bakterier. Men der er faktisk to vidt forskellige prokaryotgrupper: bakterier og arkæer. Grundlæggende er de begge prokaryote, altså uden cellekerne og organeller. Men genetisk og biokemisk er de meget langt fra hinanden.

Bakterier er den gruppe du kender fra hverdagen: E. coli i tarmen, Staphylococcus på huden og Streptococcus, der kan give halsbetændelse. De lever i jord, vand, i dig og på dig. Cellevæggen hos bakterier er typisk opbygget af peptidoglykan, et netværk af sukker- og aminosyremolekyler. Penicillin og mange andre antibiotika virker netop ved at angribe dette peptidoglykan og derved svækker cellevæggen, så bakteriecellen sprænger på grund af osmotisk tryk.

Arkæer minder ved første øjekast om bakterier, men er genetisk tættere beslægtet med eukaryoter. De er berømt for at trives under forhold, der ville slå de fleste organismer ihjel: kogende vandkilder nær vulkaner (thermofiler), ekstremt salte søer (halofiler) og iltfri miljøer som sumpbunden, hvor metanproducerende arkæer omdanner brint til metan. Arkæer mangler peptidoglykan i cellevæggen, og antibiotika, der angriber bakteriers peptidoglykan, virker således slet ikke på arkæer.

Gramfarvning: gram-positive og gram-negative bakterier

Tænk dig, at du er kommet til lægen med ondt i øret, og prøvesvaret viser en bakterieinfektion. Inden lægen skriver en recept, sender laboratoriet en hurtig besked: grampositive bakterier. Recepten skrives til penicillin. Denne hurtige diagnostik er muliggjort af gramfarvning, en teknik opfundet af den danske læge Hans Christian Gram i 1884.

Ifølge lex.dk's artikel om gramfarvning, skrevet af professor Niels Høiby fra Københavns Universitet, er gramfarvning den vigtigste farvemetode inden for medicinsk bakteriologi. Den inddeler bakterier i to grupper baseret på tykkelsen af cellevæggen og bruges i dag til hurtig diagnostik på blot tre til fem minutter.

1. 1

   Krystalviolet påføres

   Bakterieprøven farves med farvestoffet krystalviolet, som trænger ind i alle bakterier og giver dem en blåviolet farve.

2. 2

   Iod tilsættes

   Iod tilsættes og bindes til krystalviolet inde i cellen og danner et stabilt kompleks.

3. 3

   Afvaskning med alkohol

   Alkohol fjerner farven fra gramnegative bakterier, fordi de har en tynd cellevæg og en ydermembran, der lukker alkoholen ind. Grampositive bakterier beholder farven, fordi deres tykke peptidoglykanvæg holder komplekset fast.

4. 4

   Safranin tilsættes

   Det røde farvestof safranin farver de nu farveløse gramnegative bakterier røde/orange. Grampositive forbliver blåviolette.

Forskellen på de to grupper skyldes cellevæggens tykkelse. Grampositive bakterier har en meget tyk peptidoglykanvæg, der holder fast i krystalviolet. Gramnegative bakterier har en tynd peptidoglykanvæg og en ydermembran, der lukker alkoholen ind og lader farven sive ud. Ydermembranen gør dem desuden sværere at bekæmpe: den fungerer som en ekstra barriere over for immunforsvarets angreb og mange antibiotika. Biotechacademys vejledning om gramfarvning (DTU) forklarer, at teknikken bruges til hurtigt at afgøre, hvilket antibiotikum der vil virke mod infektionen.

Binær fission: sådan deler prokaryote celler sig

Under optimale forhold deler en E. coli-bakterie sig hvert 20. minut. Det betyder, at én enkelt celle om morgenen teoretisk set kan blive til over en milliard celler inden aften. Den proces hedder binær fission og er prokaryoternes pendant til mitose hos eukaryote celler, men langt enklere og hurtigere.

1. 1

   Cellen vokser

   Bakteriecellen optager næringsstoffer og vokser i størrelse. Cellemembranen og cellevæggen udvides proportionalt.

2. 2

   DNA replikeres

   Det cirkulære kromosom kopieres startende fra et bestemt punkt kaldet origin of replication. De to kopier bevæger sig mod hver sin ende af cellen. Eventuelle plasmider kopieres også.

3. 3

   Celledeling

   En ny cellemembran og cellevæg dannes på midten af cellen i et tværgående plan. Cellen deles i to genetisk identiske datterceller.

Binær fission er aseksuel formering: de to datterceller er genetisk identiske med modercellen. Det giver ingen genetisk variation via rekombination, men prokaryoter kompenserer herfor ved at udveksle gener horisontalt via plasmider og konjugation. Det er præcis sådan, at antibiotikaresistens kan sprede sig lynhurtigt fra bakterie til bakterie, også på tværs af bakteriearter.

Dyreceller og planteceller som eukaryote celler

Eukaryote celler er ikke én ting. Dyrecellen og plantecellen er begge eukaryote, men der er afgørende forskelle imellem dem, og begge er langt mere komplekse end nogen prokaryot celle. Når du sammenligner prokaryote og eukaryote celler til eksamen, får du særlig point for at inkludere disse interne eukaryote forskelle.

Plantecellens kloroplaster er et af biologiens mest fascinerende eksempler på endosymbiose: de menes at stamme fra fotosyntesedygtige prokaryoter, som for milliarder af år siden blev optaget i en eukaryot celle og gradvist blev integreret som et fast organel. Forbindelsen til fotosyntese som biologisk proces er altså evolutionært dyb: den slags energiudnyttelse opstod hos prokaryoter og overlevede ind i eukaryoternes verden.

Dyrecellen mangler cellevæg og kloroplaster, men har lysosomer til nedbrud af affaldsstoffer og fremmedlegemer. Plantecellen har cellevæg af cellulosa, kloroplaster til fotosyntese og en stor central vakuole, der regulerer vandtrykket og giver plantecellen rigiditet. Begge celletyper er langt større og mere komplicerede end en prokaryot celle, men de deler det fælles karaktertræk: den membranomsluttede cellekerne med lineært DNA.

Typiske fejl om prokaryote celler

Tre misforståelser går igen, når elever skriver om prokaryote celler til eksamen. Alle tre er subtile nok til at koste point, selv når resten er rigtigt.