Vlastnosti prokaryotických buniek, bunková štruktúra, typy



prokaryotické bunky sú to jednoduché štruktúry a bez jadra ohraničeného plazmatickou membránou. Organizmy spojené s týmto typom buniek sú jednobunkové, aj keď môžu byť zoskupené a vytvárať sekundárne štruktúry, ako napríklad reťazce.

Z troch oblastí života, ktoré navrhol Carl Woese, zodpovedajú prokaryoty Baktérie a Archaea. Zostávajúca doména, Eucarya, sa skladá z eukaryotických buniek, väčších, zložitejších a s ohraničeným jadrom.

Jednou z najdôležitejších dichotómií v biologických vedách je rozdiel medzi eukaryotickou bunkou a prokaryotickou bunkou. Historicky je prokaryotický organizmus považovaný za jednoduchý, bez vnútornej organizácie, bez organel a bez cytoskeletu. Nové dôkazy však ničia tieto paradigmy.

Štruktúry boli napríklad identifikované v prokaryotoch, ktoré možno potenciálne považovať za organely. Podobne boli nájdené proteíny homológne s proteínmi eukaryotov, ktoré tvoria cytoskelet.

Prokaryoty sú vo svojej výžive veľmi rozmanité. Ako zdroj energie môžu používať svetlo zo slnka a energiu obsiahnutú v chemických väzbách. Môžu tiež používať rôzne zdroje uhlíka, ako je napríklad oxid uhličitý, glukóza, aminokyseliny, proteíny..

Prokaryoty sú rozdelené asexuálne binárnym štiepením. V tomto procese organizmus replikuje svoju kruhovú DNA, zvyšuje jej objem a nakoniec ju rozdelí na dve identické bunky.

Existujú však mechanizmy výmeny genetického materiálu, ktoré vytvárajú variabilitu v baktériách, ako je transdukcia, konjugácia a transformácia.

index

  • 1 Všeobecné charakteristiky
  • 2 Štruktúra
  • 3 Typy prokaryot
  • 4 Morfológia prokaryot
  • 5 Reprodukcia
    • 5.1 Asexuálna reprodukcia
    • 5.2 Ďalšie zdroje genetickej variability
  • 6 Výživa
    • 6.1 Výživové kategórie
    • 6.2 Fotoautotrofy
    • 6.3 Fotoheterotrofy
    • 6.4 Chemoautotrofy
    • 6.5 Chemoheterotrofy
  • 7 Metabolizmus
  • 8 Základné rozdiely s eukaryotickými bunkami
    • 8.1 Veľkosť a zložitosť
    • 8.2
    • 8.3 Organizácia genetického materiálu
    • 8.4 Zhutnenie genetického materiálu
    • 8.5 Organely
    • 8.6 Štruktúra ribozómu
    • 8.7 Bunková stena
    • 8.8 Delenie buniek
  • 9 Fylogenéza a klasifikácia
  • 10 Nové perspektívy
    • 10.1 Organely v prokaryotoch
    • 10.2 Magnetosómy
    • 10.3 Fotosyntetické membrány
    • 10.4 Oddelenia v Planctomycetes
    • 10.5 Zložky cytoskeletu
  • 11 Odkazy

Všeobecné charakteristiky

Prokaryoty sú relatívne jednoduché jednobunkové organizmy. Najvýraznejšou charakteristikou tejto skupiny je absencia pravého jadra. Sú rozdelené do dvoch veľkých vetiev: pravé baktérie alebo eubaktérie a archaebaktérie.

Osídlili takmer všetky možné biotopy, od vody a pôdy až po vnútro iných organizmov vrátane ľudskej bytosti. Konkrétne, archaebaktérie obývajú oblasti s teplotami, slanosťou a extrémnym pH.

štruktúra

Architektonická schéma typického prokaryota je bezpochyby Escherichia coli, baktéria, ktorá normálne žije v našom gastrointestinálnom trakte.

Tvar bunky pripomína trstinu a má priemer 1 um a dĺžku 2 um. Prokaryoty sú obklopené bunkovou stenou zloženou hlavne z polysacharidov a peptidov.

Stena bakteriálnej bunky je veľmi dôležitou vlastnosťou a podľa štruktúry umožňuje vytvoriť klasifikačný systém v dvoch veľkých skupinách: gram pozitívnych a gram negatívnych baktérií..

Nasleduje bunková stena, nachádzame membránu (spoločný prvok medzi prokaryotmi a eukaryotmi) lipidovej povahy s radom protetických prvkov v nej obsiahnutých, ktoré oddeľujú organizmus od jeho prostredia.

DNA je kruhová molekula umiestnená v špecifickej oblasti, ktorá nemá žiadny typ membrány alebo separáciu s cytoplazmou.

Cytoplazma vykazuje hrubý vzhľad a má približne 3000 ribozómov - štruktúr zodpovedných za syntézu proteínov.

Typy prokaryot

Súčasné prokaryoty sú vytvorené zo širokej škály baktérií, ktoré sú rozdelené do dvoch hlavných oblastí: Eubacteria a Archaebacteria. Podľa dôkazov sa zdá, že tieto skupiny sa v evolúcii veľmi rozchádzajú.

Archaebaktérie sú skupinou prokaryotov, ktoré vo všeobecnosti žijú v prostrediach, ktorých podmienky sú nezvyčajné, ako sú teploty alebo vysoká slanosť. Tieto podmienky sú v súčasnosti vzácne, ale mohli by byť prevládajúce v primitívnej krajine.

Napríklad termoacidofily žijú v oblastiach, kde teplota dosahuje maximálne 80 ° C a pH 2.

Eubaktérie na druhej strane žijú v spoločnom prostredí pre nás ľudí. Môžu obývať pôdu, vodu alebo žiť v iných organizmoch - ako sú baktérie, ktoré sú súčasťou nášho tráviaceho traktu.

Morfológia prokaryot

Baktérie prichádzajú do série veľmi rôznorodých a heterogénnych morfológií. Medzi najčastejšie máme zaoblené, ktoré sa nazývajú kokosové orechy. Tieto môžu byť prezentované individuálne, v pároch, v reťazci, v tetradách atď..

Niektoré baktérie sú morfologicky podobné cukrovej trstine a nazývajú sa bacily. Rovnako ako kokosové orechy možno nájsť v rôznych usporiadaniach s viac ako jedným jednotlivcom. Nachádzame tiež spirály v tvare špirály a tie, ktoré majú tvar kómy nazývaný vibrios.

Každá z týchto opísaných morfológií sa môže líšiť medzi rôznymi druhmi - napríklad jeden bacil môže byť predĺženejší než iný alebo s viac zaoblenými hranami - a je užitočný pri identifikácii druhu.

rozmnožovanie

Asexuálna reprodukcia

Reprodukcia v baktériách je asexuálna a vyskytuje sa prostredníctvom binárneho štiepenia. V tomto procese sa organizmus doslova "rozpadne na dva", čo vedie k klonom pôvodného organizmu. Aby sa to stalo, musia byť k dispozícii dostatočné zdroje.

Tento proces je relatívne jednoduchý: kruhová DNA sa replikuje a tvoria dve identické dvojzávitnice. Následne je genetický materiál uložený v bunkovej membráne a bunka začína rásť, až zdvojnásobí svoju veľkosť. Bunka je nakoniec rozdelená a každá výsledná časť má kruhovú kópiu DNA.

V niektorých baktériách môžu bunky rozdeľovať materiál a rásť, ale vôbec sa nerozdeľujú a tvoria druh reťazca.

Ďalšie zdroje genetickej variability

Existujú udalosti výmeny génov medzi baktériami, ktoré umožňujú genetický prenos a rekombináciu, čo je proces podobný tomu, ktorý poznáme ako sexuálna reprodukcia. Tieto mechanizmy sú konjugácia, transformácia a transdukcia.

Konjugácia spočíva vo výmene genetického materiálu medzi dvoma baktériami pomocou štruktúry podobnej jemným chlpom nazývaným pili alebo fimbrias, ktoré pôsobia ako "mostík". V tomto prípade musí existovať fyzická blízkosť medzi oboma jednotlivcami.

Transformácia zahŕňa odobratie fragmentov nahej DNA nachádzajúcich sa v prostredí. To znamená, že v tomto procese nie je potrebná prítomnosť druhého organizmu.

Nakoniec máme preklad, kde baktéria získava genetický materiál pomocou vektora, napríklad bakteriofágov (vírusov, ktoré infikujú baktérie)..

výživa

Baktérie potrebujú látky, ktoré zaručujú ich prežitie a ktoré im dodávajú potrebnú energiu pre bunkové procesy. Bunka tieto živiny absorbuje absorpciou.

Vo všeobecnosti môžeme klasifikovať živiny ako zásadné alebo zásadité (voda, zdroje uhlíka a zlúčeniny dusíka), sekundárne (ako niektoré ióny: draslík a horčík) a stopové prvky, ktoré sú potrebné v minimálnych koncentráciách (železo, kobalt).

Niektoré baktérie potrebujú špecifické rastové faktory, ako sú vitamíny a aminokyseliny a stimulačné faktory, ktoré, hoci nie sú nevyhnutné, pomáhajú v procese rastu.

Nutričné ​​požiadavky baktérií sa značne líšia, ale ich znalosti sú potrebné na to, aby bolo možné pripraviť účinné kultivačné médiá, ktoré zabezpečia rast záujmového organizmu..

Kategórie výživy

Baktérie sa môžu klasifikovať podľa zdroja uhlíka, ktorý používajú, buď organického alebo anorganického, a v závislosti od zdroja získanej energie.

Podľa zdroja uhlíka máme dve skupiny: autotrofy alebo litotrofy používajú oxid uhličitý a heterotrofy alebo organotrofy, ktoré vyžadujú zdroj organického uhlíka..

V prípade zdroja energie máme tiež dve kategórie: fototrofy, ktoré využívajú energiu prichádzajúcu zo slnka alebo žiarivej energie a chemiotrofy, ktoré závisia od energie chemických reakcií. Kombináciou oboch kategórií je teda možné baktérie klasifikovať do:

photoautotrophic

Energia sa získava zo slnečného žiarenia - to znamená, že sú fotosynteticky aktívne - a ich zdrojom uhlíka je oxid uhličitý.

photoheterotrophs

Sú schopní využívať sálavú energiu na svoj rozvoj, ale nie sú schopné začleniť oxid uhličitý. Preto používajú iné zdroje uhlíka, ako sú alkoholy, mastné kyseliny, organické kyseliny a sacharidy.

chemoautotrophs

Energia sa získava z chemických reakcií a je schopná zabudovať oxid uhličitý.

chemoheterotrophs

Využívajú energiu pochádzajúcu z chemických reakcií a uhlík pochádza z organických zlúčenín, ako je glukóza, ktorá je najviac používaná - lipidy a tiež proteíny. Všimnite si, že zdroj energie a zdroj uhlíka sú v oboch prípadoch rovnaké, takže diferenciácia medzi nimi je ťažká.

Všeobecne platí, že mikroorganizmy, ktoré sú považované za patogény ľudskej bytosti, patria do tejto poslednej kategórie a používajú ako zdroj uhlíka aminokyseliny a lipidové zlúčeniny ich hostiteľov..

metabolizmus

Metabolizmus zahŕňa všetky komplexné chemické reakcie katalyzované enzýmami, ktoré sa vyskytujú vo vnútri organizmu, takže sa môže vyvíjať a reprodukovať.

V baktériách sa tieto reakcie nelíšia od základných procesov, ktoré sa vyskytujú v zložitejších organizmoch. V skutočnosti máme viacero ciest, ktoré sú zdieľané oboma líniami organizmov, ako je napríklad glykolýza.

Reakcie metabolizmu sú rozdelené do dvoch hlavných skupín: biosyntéza alebo anabolické reakcie a degradácia alebo katabolické reakcie, ktoré sa vyskytujú na dosiahnutie chemickej výroby energie..

Katabolické reakcie uvoľňujú striedavo energiu, ktorú organizmus využíva na biosyntézu svojich zložiek.

Základné rozdiely s eukaryotickými bunkami

Prokaryoty sa líšia od prokaryot najmä v štrukturálnej komplexnosti bunky av procesoch, ktoré sa v nej vyskytujú. Ďalej popíšeme hlavné rozdiely medzi oboma líniami:

Veľkosť a zložitosť

Všeobecne sú prokaryotické bunky menšie ako eukaryoty. Tieto majú priemer medzi 1 a 3 μm, na rozdiel od eukaryotickej bunky, ktorá môže dosiahnuť 100 μm. Existujú však určité výnimky.

Hoci prokaryotické organizmy sú jednobunkové a my ich nedokážeme pozorovať voľným okom (ak napríklad nepozorujeme bakteriálne kolónie), nemali by sme použiť charakteristiku na rozlíšenie medzi oboma skupinami. V eukaryotoch sa nachádzajú aj jednobunkové organizmy.

V skutočnosti je jednou z najkomplexnejších buniek jednobunkové eukaryoty, pretože musia obsahovať všetky štruktúry potrebné na ich vývoj, ktoré sú obmedzené na bunkovú membránu. Žánre Paramecium a Trypanosoma sú to pozoruhodné príklady.

Na druhej strane existujú veľmi komplexné prokaryoty, ako napríklad cyanobaktérie (prokaryotická skupina, kde sa odohrával vývoj fotosyntetických reakcií)..

jadro

Slovo „prokaryote“ označuje neprítomnosť jadra (pre = predtým; Karyon = jadro), zatiaľ čo eukaryoty majú skutočné jadro (eu = true). Tieto dve skupiny sú teda oddelené prítomnosťou tejto dôležitej organely.

V prokaryotoch je genetický materiál distribuovaný v špecifickej oblasti bunky nazývanej nukleoid - a nie je to pravé jadro, pretože nie je viazaný lipidovou membránou..

Eukaryoty majú definované jadro a sú obklopené dvojitou membránou. Táto štruktúra je extrémne komplexná a predstavuje rôzne oblasti, ako napríklad nukleolus. Okrem toho táto organela môže interagovať s vnútorným prostredím bunky vďaka prítomnosti jadrových pórov.

Organizácia genetického materiálu

Prokaryoty obsahujú vo svojej DNA od 0,6 do 5 miliónov bázových párov a odhaduje sa, že môžu kódovať až 5000 rôznych proteínov.. 

Prokaryotické gény sú organizované do entít nazývaných operóny - ako známa operónová laktóza - zatiaľ čo eukaryotické gény nie.

V génoch môžeme rozlišovať dve „oblasti“: intróny a exóny. Prvými sú časti, ktoré nie sú kódom proteínu a ktoré narušujú kódujúce oblasti, nazývané exóny. Intróny sú bežné v eukaryotických génoch, ale nie v prokaryotoch.

Prokaryoty sú všeobecne haploidné (jedna genetická záťaž) a eukaryoty majú haploidné aj polyploidné záťaže. Napríklad my ľudia sme diploidy. Podobne, prokaryoty majú chromozóm a eukaryoty viac ako jeden.

Zhutňovanie genetického materiálu

V jadre bunky eukaryoty vykazujú komplexnú organizáciu DNA. Dlhý reťazec DNA (približne dva metre) je schopný sa navíjať tak, že môže byť integrovaný do jadra a počas deliacich procesov môže byť vizualizovaný pod mikroskopom vo forme chromozómov.

Tento proces zhutňovania DNA zahŕňa sériu proteínov, ktoré sú schopné viazať sa na vlákno a tvoriť štruktúry, ktoré sa podobajú perlovému náhrdelníku, kde je vlákno reprezentované DNA a perličkami. Tieto proteíny sa nazývajú históny.

Históny boli počas evolúcie široko zachované. To znamená, že naše históny sú neuveriteľne podobné tým, ktoré majú myši, alebo ísť ďalej k hmyzu. Štruktúrne majú vysoký počet pozitívne nabitých aminokyselín, ktoré interagujú s negatívnymi nábojmi DNA.

V prokaryotoch sa našli určité proteíny homológne s histónmi, ktoré sú všeobecne známe ako históny-ako. Tieto proteíny prispievajú k regulácii expresie génov, rekombinácii a replikácii DNA a podobne ako históny v eukaryotoch sa podieľajú na organizácii nukleoidov.

organely

V eukaryotických bunkách možno identifikovať rad veľmi zložitých subcelulárnych kompartmentov, ktoré vykonávajú špecifické funkcie.

Najvýznamnejšie sú mitochondrie, ktoré sú zodpovedné za procesy bunkového dýchania a tvorby ATP a v rastlinách vyniknú chloroplasty so svojím troj membránovým systémom as potrebným mechanizmom na fotosyntézu..

Taktiež máme Golgiho komplex, hladké a hrubé endoplazmatické retikulum, vakuoly, lyzozómy, peroxizómy, okrem iných..

Štruktúra ribozómu

Ribozómy zahŕňajú mechanizmus nevyhnutný na syntézu proteínov, takže musia byť prítomné v eukaryotoch aj v prokaryotoch. Hoci ide o nepostrádateľnú štruktúru pre obidva typy, líši sa prevažne veľkosťou.

Ribozómy sú zložené z dvoch podjednotiek: jedna veľká a jedna malá. Každá podjednotka je identifikovaná parametrom nazývaným sedimentačný koeficient.

V prokaryotoch je veľká podjednotka 50S a malá podjednotka je 30S. Kompletná štruktúra sa nazýva 70S. Ribozómy sú rozptýlené v cytoplazme, kde vykonávajú svoje úlohy.

Eukaryoty majú väčšie ribozómy, veľká podjednotka je 60S, malá je 40S a celý ribozóm je označený hodnotou 80S. Tieto sa nachádzajú hlavne ukotvené v hrubom endoplazmatickom retikule.

Bunková stena

Bunková stena je základným prvkom na zvládnutie osmotického stresu a slúži ako ochranná bariéra proti možnému poškodeniu. Takmer všetky prokaryoty a niektoré skupiny eukaryotov majú bunkovú stenu. Rozdiel spočíva v jeho chemickej povahe.

Bakteriálna stena je zložená z peptidoglykánu, polyméru zloženého z dvoch štruktúrnych prvkov: N-acetylglukozamínu a kyseliny N-acetylmurámovej, ktoré sú spojené väzbami typu β-1,4..

V eukaryotickej línii sú tiež bunky so stenami, hlavne v niektorých hubách a vo všetkých rastlinách. Najpočetnejšou zlúčeninou v stene húb je chitín a v rastlinách je to celulóza, polymér tvorený mnohými glukózovými jednotkami..

Delenie buniek

Ako bolo uvedené vyššie, prokaryoty sú rozdelené binárnym štiepením. Eukaryoty majú komplexný deliaci systém, ktorý zahŕňa rôzne stupne nukleárneho delenia, či už je to mitóza alebo meióza.

Fylogenéza a klasifikácia

Všeobecne sme zvyknutí na definovanie druhu v súlade s biologickou koncepciou navrhnutou E. Mayrom v roku 1989: "skupiny prirodzene sa vyskytujúcich krížencov, ktoré sú reprodukčne izolované z iných skupín".

Uplatňovanie tohto konceptu na asexuálne druhy, ako je to v prípade prokaryotov, je nemožné. Preto musí existovať iný spôsob, ako pristúpiť k konceptu druhov s cieľom klasifikovať tieto organizmy.

Podľa Rosselló-Mora et al. (2011), fylofenetický koncept dobre zapadá do tejto línie: "monofyletický a genomicky koherentný súbor individuálnych organizmov, ktoré vykazujú vysoký stupeň všeobecnej podobnosti v mnohých nezávislých charakteristikách a je diagnostikovaný diskriminačnou fenotypovou vlastnosťou"..

Predtým boli všetky prokaryoty klasifikované do jednej "domény", kým Carl Woese nenaznačil, že strom života by mal mať tri hlavné vetvy. Po tejto klasifikácii zahŕňajú prokaryoty dve domény: Archaea a Bacteria.

V baktériách nájdeme päť skupín: proteobaktérie, chlamydiá, spirochetes cyanobacteria a grampozitívne baktérie. Podobne máme štyri hlavné skupiny archaea: Euryarchaeota, Grupo TACK, Asgard a Grupo DPANN.

Nové perspektívy

Jedným z najrozšírenejších konceptov v biológii je jednoduchosť prokaryotického cytozolu. Nové dôkazy však naznačujú, že existuje potenciálna organizácia v prokaryotických bunkách. V súčasnosti sa vedci snažia strhnúť dogmu o absencii organel, cytoskeletu a ďalších charakteristík v tejto jednobunkovej línii.

Organely v prokaryotoch

Autori tohto nového a kontroverzného návrhu zabezpečujú, že v eukaryotických bunkách existujú úrovne kompartmentalizácie, najmä v štruktúrach ohraničených proteínmi a intracelulárnymi lipidmi..

Podľa obhajcov tejto myšlienky je organela priestor obklopený biologickou membránou s určenou biochemickou funkciou. Medzi týmito „organelami“, ktoré zodpovedajú tejto definícii, máme okrem iných lipidové telieska, karboxysómy, plynové vakuoly..

magnetosomes

Jedným z najviac fascinujúcich kompartmentov baktérií sú magnetozómy. Tieto štruktúry súvisia so schopnosťou niektorých baktérií Magnetospirillum alebo Magnetococcus - použitie magnetických polí na orientáciu.

Štruktúrne sú to malé telo s 50 nanometrami obklopené lipidovou membránou, ktorej interiér je zložený z magnetických minerálov.

Fotosyntetické membrány

Okrem toho, niektoré prokaryoty majú "fotosyntetické membrány", ktoré sú najštudovanejšími oddeleniami v týchto organizmoch.

Tieto systémy fungujú tak, aby maximalizovali účinnosť fotosyntézy, zvyšovali počet dostupných fotosyntetických proteínov a maximalizovali povrch membrány, ktorá je vystavená svetlu..

Priestory v planctomycetes

Nebolo možné vysledovať pravdepodobnú evolučnú cestu z týchto kompartmentov uvedených vyššie do vysoko komplexných organel eukaryot..

Žáner planctomycetes To má sériu oddelení vnútri, ktoré pripomína organelles sám a môže byť navrhnutý ako bakteriálne predchodca eukaryotes. V žánri Pirellula Existujú chromozómy a ribozómy obklopené biologickými membránami.

Zložky cytoskeletu

Podobne existujú určité proteíny, ktoré boli historicky považované za unikátne pre eukaryoty, vrátane esenciálnych vlákien, ktoré sú súčasťou cytoskeletu: tubulín, aktín a stredné vlákna..

Nedávne výskumy úspešne identifikovali proteíny homológne s tubulínom (FtsZ, BtuA, BtuB a ďalšie), s aktínom (MreB a Mb1) a s intermediárnymi filamentami (CfoA)..

referencie

  1. Cooper, G.M. (2000). Bunka: Molekulárny prístup. Sinauer Associates.
  2. Dorman, C. J., & Deighan, P. (2003). Regulácia génovej expresie proteínmi podobnými histónu v baktériách. Súčasný názor na genetiku a vývoj, 13(2), 179-184.
  3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Skrytá strana prokaryotickej bunky: znovuobjavenie mikrobiálneho sveta. Medzinárodná mikrobiológia, 10(3), 157-168.
  4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Bunková biológia prokaryotických organel. Cold Spring Harbor perspektívy v biológii, a000422.
  5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Druhová koncepcia prokaryot. FEMS mikrobiologické recenzie, 25(1), 39-67.
  6. Slesarev, A.I., Belova, G.I., Kozyavkin, S.A., & Lake, J.A. (1998). Dôkaz skorého prokaryotického pôvodu histónov H2A a H4 pred vznikom eukaryotov. Výskum nukleových kyselín, 26(2), 427-430.
  7. Souza, W. D. (2012). Prokaryotické bunky: štruktúrna organizácia cytoskeletu a organel. Spomienky na inštitút Oswalda Cruza, 107(3), 283-293.