Značilnosti prokariontskih celic, celična struktura, tipi



The prokariontske celice so enostavne strukture in brez jedra, omejenega s plazemsko membrano. Organizmi, povezani s tem tipom celic, so enocelični, čeprav jih je mogoče združiti in tvoriti sekundarne strukture, kot so verige.

Od treh področij življenja, ki jih je predlagal Carl Woese, prokarioni ustrezajo bakterijam in arhejam. Preostala domena, Eucarya, je sestavljena iz evkariontskih celic, večjih, bolj zapletenih in z omejenim jedrom.

Ena od najpomembnejših dihotomij v bioloških znanostih je razlikovanje med evkariontsko celico in prokariontsko celico. Zgodovinsko gledano se prokariontski organizem šteje za preprost, brez notranje organizacije, brez organelov in brez citoskeleta. Vendar pa novi dokazi uničujejo te paradigme.

Na primer, strukture so bile identificirane v prokariontih, ki se lahko potencialno obravnavajo kot organele. Prav tako so bile ugotovljene homologne beljakovine evkariontov, ki tvorijo citoskelet.

Prokaryoti so zelo raznoliki v svoji prehrani. Kot vir energije lahko uporabljajo svetlobo sonca in energijo, ki jo vsebujejo kemične vezi. Uporabljajo lahko tudi različne vire ogljika, kot so ogljikov dioksid, glukoza, aminokisline, beljakovine, med drugim..

Prokarionte se aseksualno deli z binarno fisijo. V tem procesu organizem posnema svojo krožno DNK, poveča njen volumen in jo končno deli na dve identični celici.

Vendar obstajajo mehanizmi za izmenjavo genskega materiala, ki povzročajo spremenljivost v bakterijah, kot so transdukcija, konjugacija in transformacija.

Indeks

  • 1 Splošne značilnosti
  • 2 Struktura
  • 3 Vrste prokariotov
  • 4 Morfologija prokariotov
  • 5 Razmnoževanje
    • 5.1 Aseksualna reprodukcija
    • 5.2 Dodatni viri genetske variabilnosti
  • 6 Prehrana
    • 6.1 Hranilne kategorije
    • 6.2 Fotoavtotrofi
    • 6.3 Fotoheterotrofi
    • 6.4 Chemoautotrofi
    • 6.5 Chemoheterotrofi
  • 7 Presnova
  • 8 Temeljne razlike z evkariontskimi celicami
    • 8.1 Velikost in kompleksnost
    • 8.2 Jedro
    • 8.3 Organizacija genskega materiala
    • 8.4 Zbijanje genskega materiala
    • 8.5 Organeli
    • 8.6 Struktura ribosoma
    • 8.7 Celična stena
    • 8.8 Delitev celic
  • 9 Filogenija in razvrstitev
  • 10 Nove perspektive
    • 10.1 Organele v prokariontih
    • 10.2 Magnetosomi
    • 10.3 Fotosintetske membrane
    • 10.4 Oddelki v Planctomycetes
    • 10.5 Komponente citoskeleta
  • 11 Reference

Splošne značilnosti

Prokarioti so sorazmerno enostavni enocelični organizmi. Najbolj izstopajoča značilnost te skupine je odsotnost pravega jedra. Razdeljeni so v dve veliki veji: prave bakterije ali eubakterije in arheobakterije.

Kolonizirali so skoraj vse možne habitate, od vode in tal do notranjosti drugih organizmov, vključno s človeškim bitjem. Natančneje, arheobakterije naselijo območja s temperaturo, slanostjo in ekstremnim pH.

Struktura

Arhitekturna shema tipičnega prokariota je brez dvoma tista, ki je Escherichia coli, bakterija, ki običajno živi v našem gastrointestinalnem traktu.

Celična oblika spominja na trs in ima 1 um premera in 2 um dolžine. Prokariote obdaja celična stena, sestavljena večinoma iz polisaharidov in peptidov.

Bakterijska celična stena je zelo pomembna značilnost in v skladu s strukturo omogoča vzpostavitev klasifikacijskega sistema v dveh velikih skupinah: gram pozitivne in gram negativne bakterije..

Sledi celična stena, najdemo membrano (skupni element med prokarionti in evkarionti) lipidne narave z vrsto protetičnih elementov, ki so v njej vgrajeni in ločujejo organizem od okolja..

DNA je krožna molekula, ki se nahaja v specifičnem območju, ki nima nobene vrste membrane ali ločitve s citoplazmo..

Citoplazma ima grob videz in ima približno 3000 ribosomov - struktur, ki so odgovorne za sintezo beljakovin.

Vrste prokariotov

Trenutni prokarionti so sestavljeni iz številnih bakterij, ki so razdeljene na dve glavni domeni: Eubacteria in Archaebacteria. Glede na dokaze se zdi, da so se te skupine že zelo zgodaj razvile.

Arhebakterije so skupina prokariotov, ki na splošno živijo v okoljih, kjer so pogoji nenavadni, kot so temperature ali visoka slanost. Danes so ti pogoji redki, vendar lahko prevladujejo v primitivni deželi.

Na primer, termoakidofili živijo na območjih, kjer temperatura doseže največ 80 ° C in pH 2.

Eubacteria po drugi strani živijo v skupnem okolju za nas ljudi. Lahko naselijo zemljo, vodo ali živijo v drugih organizmih - kot so bakterije, ki so del našega prebavnega trakta.

Morfologija prokariotov

Bakterije prihajajo v vrsto zelo raznolikih in heterogenih morfologij. Med najpogostejšimi imamo okrogle, ki se imenujejo kokosovi orehi. Ti se lahko predstavijo posamično, v parih, v verigi, v tetradah itd..

Nekatere bakterije so morfološko podobne palici in se imenujejo bacili. Tako kot so kokosovi orehi v različnih dogovorih z več kot enim posameznikom. Prav tako najdemo spirohete v obliki spirale in tiste, ki imajo komo ali obliko zrnja, imenovano vibrios.

Vsaka od teh opisanih morfologij se lahko razlikuje med različnimi vrstami - na primer, en bacillus je lahko bolj podaljšan od drugega ali z bolj zaobljenimi robovi - in je uporaben pri identifikaciji vrste..

Razmnoževanje

Seksualna reprodukcija

Razmnoževanje v bakterijah je nespolno in poteka prek binarne fisije. V tem procesu organizem dobesedno "razpade na dva", kar povzroči klonove začetnega organizma. Da bi se to zgodilo, mora biti na voljo dovolj sredstev.

Proces je razmeroma preprost: krožna DNK se replicira in tvori dva enaka dvojna spirala. Nato se genetski material namesti v celično membrano in celica začne rasti, dokler se ne podvoji. Celica je končno razdeljena in vsak dobljeni del ima krožno kopijo DNK.

V nekaterih bakterijah lahko celice delijo material in rastejo, vendar se sploh ne delijo in tvorijo neke vrste verigo.

Dodatni viri genetske variabilnosti

Obstajajo dogodki izmenjave genov med bakterijami, ki omogočajo genetski prenos in rekombinacijo, proces, podoben procesu, ki ga poznamo kot spolno razmnoževanje. Ti mehanizmi so konjugacija, transformacija in transdukcija.

Konjugacija je sestavljena iz izmenjave genskega materiala med dvema bakterijama s strukturo, ki je podobna finim dlakam, imenovanim pili ali fimbrias, ki deluje kot "most". V tem primeru mora obstajati fizična bližina med obema posameznikoma.

Transformacija vključuje odvzem fragmentov golih DNK, ki jih najdemo v okolju. To pomeni, da v tem procesu prisotnost drugega organizma ni potrebna.

Končno imamo prevod, kjer bakterija pridobi genski material s pomočjo vektorja, na primer bakteriofagov (virusi, ki okužijo bakterije)..

Prehrana

Bakterije potrebujejo snovi, ki zagotavljajo njihovo preživetje in jim dajejo potrebno energijo za celične procese. Celica bo ta hranila absorbirala.

Na splošno lahko hranila razvrstimo kot bistvene ali osnovne (voda, ogljikovi viri in dušikove spojine), sekundarne (kot nekateri ioni: kalij in magnezij) in elemente v sledovih, ki so potrebni v minimalnih koncentracijah (železo, kobalt)..

Nekatere bakterije potrebujejo posebne rastne dejavnike, kot so vitamini in aminokisline, ter spodbujevalne dejavnike, ki sicer niso bistveni, pomagajo pri procesu rasti.

Prehranske potrebe bakterij se zelo razlikujejo, vendar je njihovo znanje potrebno za pripravo učinkovitih gojišč, ki zagotavljajo rast organizma, ki nas zanima..

Hranilne kategorije

Bakterije se lahko razvrstijo glede na vir ogljika, ki ga uporabljajo, bodisi organski ali anorganski, in glede na vir pridobljene energije.

Glede na vir ogljika imamo dve skupini: avtotrofi ali litotrofi uporabljajo ogljikov dioksid in heterotrofi ali organotrofe, ki potrebujejo vir organskega ogljika..

V primeru vira energije imamo tudi dve kategoriji: fototrofi, ki uporabljajo energijo, ki izhaja iz sonca ali sevalne energije, in kemotrofe, ki so odvisni od energije kemijskih reakcij. Tako lahko bakterije z združevanjem obeh kategorij razvrstimo v:

Photoautotrophs

Energija se pridobiva iz sončne svetlobe - kar pomeni, da so fotosintetično aktivne - in njihov vir ogljika je ogljikov dioksid.

Fotoheterotrofi

So sposobni uporabljati sevalno energijo za svoj razvoj, vendar ne morejo vključiti ogljikovega dioksida. Zato uporabljajo druge vire ogljika, kot so alkoholi, maščobne kisline, organske kisline in ogljikovi hidrati.

Chemoautotrofi

Energijo dobimo s kemičnimi reakcijami in lahko vključimo ogljikov dioksid.

Chemoheterotrophs

Uporabljajo energijo, ki prihaja iz kemičnih reakcij, ogljik pa prihaja iz organskih spojin, kot so glukoza - ki je najbolj uporabljena - lipidi in tudi beljakovine. Upoštevajte, da sta vir energije in vir ogljika v obeh primerih enaka, zato je razlikovanje med obema težko.

Na splošno so mikroorganizmi, ki se štejejo za patogene človeškega bitja, v tej zadnji kategoriji in kot vir ogljika uporabljajo aminokisline in lipidne spojine njihovih gostiteljev..

Presnova

Presnova vključuje vse kompleksne kemijske reakcije, ki jih katalizirajo encimi, ki se pojavijo v organizmu, tako da se lahko razvije in razmnoži..

Pri bakterijah se te reakcije ne razlikujejo od osnovnih procesov, ki se pojavljajo v kompleksnejših organizmih. Pravzaprav imamo več poti, ki jih delijo obe vrsti organizmov, kot je npr. Glikoliza.

Reakcije metabolizma so razvrščene v dve glavni skupini: biosinteza ali anabolne reakcije ter degradacija ali katabolne reakcije, ki se pojavijo za doseganje proizvodnje kemične energije..

Katabolne reakcije sproščajo energijo, ki jo organizem uporablja za biosintezo svojih sestavin.

Temeljne razlike z evkariontskimi celicami

Prokarioti se od prokariotov razlikujejo predvsem po strukturni kompleksnosti celice in v procesih, ki se v njej pojavljajo. Nato bomo opisali glavne razlike med obema rodbinama:

Velikost in kompleksnost

Na splošno so prokariontske celice manjše od evkariontov. Prvi imajo premer med 1 in 3 μm, v nasprotju z evkariontsko celico, ki lahko doseže 100 μm. Vendar pa obstajajo nekatere izjeme.

Čeprav so prokariontski organizmi enocelični in jih ne moremo opazovati s prostim očesom (če ne opazimo na primer bakterijskih kolonij), ne smemo uporabiti značilnosti za razlikovanje med obema skupinama. Pri evkariontih najdemo tudi enocelične organizme.

Pravzaprav je ena najbolj kompleksnih celic enocelični evkarionti, saj morajo vsebovati vse strukture, potrebne za njihov razvoj, omejene na celično membrano. Žanri Paramecijev in Trypanosoma to so izjemni primeri tega.

Po drugi strani pa obstajajo zelo kompleksni prokarionti, kot so cianobakterije (prokariontska skupina, kjer je potekala evolucija fotosintetskih reakcij)..

Jedro

Beseda "prokariot" se nanaša na odsotnost jedra (pro = prej; karyon = jedro), medtem ko imajo evkarionti pravo jedro (eu = true). Tako sta ti dve skupini ločeni s prisotnostjo te pomembne organele.

Pri prokariontih je genetski material porazdeljen v specifični regiji celice, imenovani nukleid - in ni pravo jedro, ker ni omejena z lipidno membrano..

Eukarioti imajo določeno jedro in so obdani z dvojno membrano. Ta struktura je izredno kompleksna in predstavlja različna področja znotraj, kot je npr. Poleg tega lahko ta organel vpliva na interno okolje celice zaradi prisotnosti jedrskih por.

Organizacija genskega materiala

Prokarioti vsebujejo od 0,6 do 5 milijonov baznih parov v njihovi DNK in ocenjuje se, da lahko kodirajo do 5000 različnih proteinov. 

Prokariontski geni so organizirani v entitete, imenovane operone - kot znani operon laktoza - medtem ko evkariontski geni ne.

V genih lahko ločimo dve "regiji": introne in eksone. Prvi so deli, ki ne kodirajo proteina in ki motijo ​​kodirne regije, imenovane eksone. Introni so pogosti pri evkariontskih genih, ne pa v prokariotih.

Prokarioti so na splošno haploidni (ena genetska obremenitev), evkarionti pa imajo haploidne in poliploidne obremenitve. Na primer, ljudje smo diploidi. Tudi prokarioti imajo več kot en kromosom in evkarionte.

Zbijanje genskega materiala

V celičnem jedru evkarionti kažejo kompleksno organizacijo DNK. Dolgi pramen DNK (približno dva metra) je sposoben zaviti na tak način, da se lahko integrira v jedro in se lahko v procesih delitve vizualizira pod mikroskopom v obliki kromosomov..

Ta proces zbijanja DNK vključuje vrsto beljakovin, ki se lahko vežejo na verigo in tvorijo strukture, ki so podobne biserni ogrlici, kjer je nit predstavljena z DNK in biseri z biseri. Ti proteini se imenujejo histoni.

Histoni so bili v evoluciji zelo ohranjeni. To pomeni, da so naši histoni zelo podobni tistim, ki jih ima miš, ali pa da gredo dlje k ​​žuželkam. Strukturno imajo veliko število pozitivno nabitih aminokislin, ki delujejo z negativnimi naboji DNK.

Pri prokariontih so našli določene proteine, homologne histonom, ki so splošno znani kot histoni-podobno. Te beljakovine prispevajo k nadzoru genske ekspresije, rekombinacije in replikacije DNK in, kot histoni pri evkariontih, sodelujejo pri organizaciji nukleoidov.

Organele

V evkariontskih celicah je mogoče identificirati vrsto zelo zapletenih subceličnih oddelkov, ki opravljajo posebne funkcije.

Najpomembnejši so mitohondriji, ki so odgovorni za procese celičnega dihanja in generacije ATP, v rastlinah pa izstopajo kloroplasti s tremi membranskimi sistemi in s potrebnimi stroji za fotosintezo..

Prav tako imamo kompleks Golgi, gladko in grobo endoplazmatsko mrežico, vakuole, lizosome, peroksisome,.

Struktura ribosoma

Ribosomi obsegajo stroje, potrebne za sintezo beljakovin, zato morajo biti prisotni pri evkariontih in prokariotih. Čeprav je nepogrešljiva struktura za oba, se razlikuje predvsem po velikosti.

Ribosome sestavljajo dve podenoti: ena velika in ena majhna. Vsaka podenota je določena s parametrom, imenovanim koeficient sedimentacije.

Pri prokariotih je velika podenota 50S, majhna podenota pa 30S. Celotna struktura se imenuje 70S. Ribosomi so raztreseni v citoplazmi, kjer opravljajo svoje naloge.

Eukarioti imajo večje ribosome, velika podenota je 60S, majhna je 40S in celoten ribosom je označen z vrednostjo 80S. Te so v glavnem zasidrane v grobem endoplazmatskem retikulumu.

Celična stena

Celična stena je bistveni element za obvladovanje osmotskega stresa in služi kot zaščitna pregrada pred morebitnimi poškodbami. Skoraj vsi prokarioti in nekatere skupine evkariontov imajo celično steno. Razlika je v njeni kemijski naravi.

Stena bakterij je sestavljena iz peptidoglikana, polimera, sestavljenega iz dveh strukturnih elementov: N-acetilglukozamin in N-acetilmuramske kisline, ki sta povezani z vezmi tipa β-1,4..

V evkariontski liniji so tudi celice s stenami, predvsem v nekaterih glivah in v vseh rastlinah. Najbolj razširjena spojina v steni gliv je hitin, v rastlinah pa celuloza, polimer, ki ga tvorijo številne glukozne enote.

Delitev celic

Kot smo že omenili, se prokarioti delijo z binarno fisijo. Eukarioti imajo kompleksen sistem delitve, ki vključuje različne faze jedrske delitve, pa naj gre za mitozo ali mejozo.

Filogenija in razvrstitev

Navadno smo navadeni, da določamo vrsto v skladu z biološkim konceptom, ki ga je predlagal E. Mayr leta 1989: "skupine navzkrižnih naravnih populacij, ki so reproduktivno izolirane od drugih skupin".

Uporaba tega koncepta za aseksualne vrste, kot je to v primeru prokariotov, je nemogoča. Zato mora obstajati še en način za pristop k pojmu vrst, da bi razvrstili te organizme.

Po Rosselló-Mora et al. (2011), filofenetični koncept se dobro ujema s to linijo: »monofiletičen in genomsko koherenten sklop posameznih organizmov, ki kažejo visoko stopnjo splošne podobnosti v mnogih neodvisnih značilnostih, in ga je mogoče diagnosticirati z diskriminatorno fenotipsko lastnostjo«.

Prej so bili vsi prokarioti razvrščeni v eno "domeno", dokler Carl Woese ni predlagal, da bi moralo drevo življenja imeti tri glavne veje. Po tej klasifikaciji prokarioti obsegajo dve domeni: Archaea in Bacteria.

Znotraj bakterij najdemo pet skupin: proteobakterije, klamidije, spirohete cianobakterije in gram pozitivne bakterije. Prav tako imamo štiri glavne skupine arhej: Euryarchaeota, Grupo TACK, Asgard in Grupo DPANN.

Nove perspektive

Eden najbolj razširjenih konceptov v biologiji je preprostost prokariontskega citosola. Vendar pa novi dokazi kažejo, da obstaja potencialna organizacija v prokariontskih celicah. Trenutno znanstveniki poskušajo uničiti dogmo o odsotnosti organelov, citoskeleta in drugih značilnosti v tem enoceličnem rodu..

Organele v prokariontih

Avtorji tega novega in spornega predloga zagotavljajo, da so v evkariontskih celicah ravni kompartmentalizacije, predvsem v strukturah, omejenih z beljakovinami in znotrajceličnimi lipidi..

Po mnenju zagovornikov te ideje je organel predel, obdan z biološko membrano z določeno biokemično funkcijo. Med temi "organeli", ki ustrezajo tej definiciji, imamo med drugim lipidna telesa, karboksisome, plinske vakuole,.

Magnetosomi

Eden najbolj fascinantnih oddelkov bakterij so magnetosomi. Te strukture so povezane z zmogljivostjo določenih bakterij Magnetospirillum o Magnetococcus - uporabe magnetnih polj za orientacijo.

Strukturno so majhno telo 50 nanometrov, obdano z lipidno membrano, katere notranjost je sestavljena iz magnetnih mineralov.

Fotosintetske membrane

Poleg tega imajo nekateri prokarionti »fotosintetske membrane«, ki so najbolj preučevani kompartmenti v teh organizmih..

Ti sistemi delujejo tako, da povečajo učinkovitost fotosinteze, povečajo število fotosintetičnih beljakovin in povečajo površino membrane, ki je izpostavljena svetlobi..

Oddelki v Planctomycetes

Ni bilo mogoče izslediti verodostojne evolucijske poti od zgoraj navedenih oddelkov do zelo kompleksnih organelov evkariontov.

Vendar pa je žanr Planctomycetes V njem je serija predelkov, ki spominja na organele in jih lahko predlagamo kot bakterijskega prednika evkariontov. V žanru Pirellula obstajajo kromosomi in ribosomi, obdani z biološkimi membranami.

Sestavine citoskeleta

Podobno so tudi nekatere beljakovine, ki so bile v preteklosti edinstvene za evkarionte, vključno z bistvenimi filamenti, ki so del citoskeleta: tubulinom, aktinom in vmesnimi filamenti..

Nedavne raziskave so uspele identificirati beljakovine, homologne tubulinu (FtsZ, BtuA, BtuB in drugi), aktinu (MreB in Mb1) in vmesnim filamentom (CfoA)..

Reference

  1. Cooper, G. M. (2000). Celica: Molekularni pristop. Sinauer Associates.
  2. Dorman, C. J., & Deighan, P. (2003). Regulacija izražanja genov s histonsko podobnimi beljakovinami v bakterijah. Trenutno mnenje o genetiki in razvoju, 13(2), 179-184.
  3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Skrita stran prokariontske celice: ponovno odkrivanje mikrobnega sveta. Mednarodna mikrobiologija, 10(3), 157-168.
  4. Murat, D., Byrne, M., in Komeili, A. (2010). Celična biologija prokariontskih organelov. Cold Spring Harbor perspektive v biologiji, a000422.
  5. Rosselló-Mora, R., in Amann, R. (2001). Koncept vrste za prokariote. Pregledi mikrobiologije FEMS, 25(1), 39-67.
  6. Slesarev, A.I., Belova, G.I., Kozyavkin, S.A., & Lake, J.A. (1998). Dokazi za zgodnji prokariontski izvor histonov H2A in H4 pred pojavom evkariontov. Raziskave nukleinskih kislin, 26(2), 427-430.
  7. Souza, W. D. (2012). Prokariontske celice: strukturna organizacija citoskeleta in organelov. Spomini na inštitutu Oswaldo Cruz, 107(3), 283-293.