خصائص الخلية البكتيرية

الخلايا هي الوحدات الأساسية للحياة ، وبالتالي فهي أصغر العناصر المميزة للكائنات الحية التي تحتفظ بكل المفاتيح الخصائص المرتبطة بالكائنات الحية ، بما في ذلك التمثيل الغذائي والقدرة على التكاثر ووسيلة للحفاظ على المواد الكيميائية الرصيد. الخلايا هي إما بدائية النواة مصطلح يشير إلى البكتيريا وقليل من الكائنات وحيدة الخلية ، أو حقيقيات النوى التي تشير إلى النباتات والفطريات والحيوانات.

تعد الخلايا البكتيرية وغيرها من الخلايا بدائية النواة أبسط بكثير من نظيراتها حقيقية النواة من جميع النواحي تقريبًا. تشتمل جميع الخلايا على الأقل على غشاء بلازما وسيتوبلازم ومواد وراثية على شكل DNA. بينما تتميز الخلايا حقيقية النواة بمجموعة متنوعة من العناصر التي تتجاوز هذه العناصر الأساسية ، فإن هذه الأشياء الثلاثة تمثل تقريبًا مجمل الخلايا البكتيرية. ومع ذلك ، تحتوي الخلايا البكتيرية على بعض الميزات التي لا تحتويها الخلايا حقيقية النواة ، وأبرزها جدار الخلية.

يمكن أن يحتوي كائن حي حقيقي النواة واحد على تريليونات من الخلايا ، على الرغم من أن الخميرة أحادية الخلية ؛ من ناحية أخرى ، تحتوي الخلايا البكتيرية على خلية واحدة فقط. في حين أن الخلايا حقيقية النواة تشمل مجموعة متنوعة من العضيات المرتبطة بالغشاء ، مثل النواة والميتوكوندريا (في الحيوانات) ، البلاستيدات الخضراء (استجابة النباتات للميتوكوندريا) ، أجسام جولجي ، الشبكة الإندوبلازمية والليزوزومات ، الخلايا البكتيرية لا تحتوي على العضيات. تشتمل كل من حقيقيات النوى وبدائيات النوى على الريبوسومات ، وهي الهياكل الدقيقة المسؤولة عن تخليق البروتين ، ولكن هذه هي عادةً ما يتم تصورها بسهولة أكبر في حقيقيات النوى لأن الكثير منها يتجمع على طول الإندوبلازمية الخطية الشبيهة بالشريط شبكية.

من السهل اعتبار الخلايا البكتيرية والبكتيريا نفسها "بدائية" نظرًا لعمرها التطوري الأكبر (حوالي 3.5 مليار سنة ، مقابل 3.5 مليار سنة). حوالي 1.5 مليار بدائيات النوى) وبساطتها. هذا ، مع ذلك ، مضلل لعدد من الأسباب. أحدها هو أنه من وجهة نظر بقاء الأنواع ، فإن التعقيد لا يعني بالضرورة أكثر قوة ؛ في جميع الاحتمالات ، البكتيريا كمجموعة سوف تصمد أكثر من البشر والكائنات "الأعلى" الأخرى بمجرد أن تتغير الظروف على الأرض بشكل كافٍ. والسبب الثاني هو أن الخلايا البكتيرية ، على الرغم من بساطتها ، قد طورت مجموعة متنوعة من آليات البقاء القوية التي لم تمتلكها حقيقيات النوى.

تأتي الخلايا البكتيرية في ثلاثة أشكال أساسية: شبيهة بالقضيب (العصوية) ، دائرية (كوكسي) ، وشكل حلزوني (سبريلي). يمكن أن تكون خصائص الخلايا البكتيرية المورفولوجية مفيدة في تشخيص الأمراض المعدية التي تسببها البكتيريا المعروفة. على سبيل المثال ، "التهاب الحلق" سببه أنواع العقديات، والتي ، كما يوحي الاسم ، مستديرة ، كما هي المكورات العنقودية. ينتج مرض الجمرة الخبيثة عن عصية كبيرة ، وينتج مرض لايم عن اللولبية اللولبية الشكل. بالإضافة إلى الأشكال المختلفة للخلايا الفردية ، تميل الخلايا البكتيرية إلى أن توجد في مجموعات ، والتي يختلف هيكلها اعتمادًا على الأنواع المعنية. تنمو بعض العصي والكوتشي في سلاسل طويلة ، بينما توجد بعض أنواع الكوتشي الأخرى في مجموعات تشبه إلى حد ما شكل الخلايا الفردية.

يمكن لمعظم الخلايا البكتيرية ، على عكس الفيروسات ، أن تعيش بشكل مستقل عن الكائنات الحية الأخرى ، ولا تعتمد على الكائنات الحية الأخرى لتلبية احتياجات التمثيل الغذائي أو الإنجاب. الاستثناءات ، ومع ذلك ، موجودة ؛ بعض أنواع ريكتسيا و الكلاميديا داخل الخلايا بشكل إلزامي ، مما يعني أنه ليس لديهم خيار سوى العيش في خلايا الكائنات الحية للبقاء على قيد الحياة.

إن افتقار الخلايا البكتيرية إلى النواة هو السبب في تمييز الخلايا بدائية النواة في الأصل الخلايا حقيقية النواة ، حيث يتضح هذا الاختلاف حتى تحت المجاهر ذات التكبير المنخفض نسبيًا قوة. على الرغم من أن الحمض النووي البكتيري ليس محاطًا بغشاء نووي مثل حقيقيات النوى ، إلا أنه يميل إلى التجمع بشكل وثيق ، ويسمى التكوين الخشن الناتج بـ nucleoid. يوجد عدد أقل بكثير من الحمض النووي في الخلايا البكتيرية بشكل عام مقارنة بالخلايا حقيقية النواة ؛ إذا امتدت من طرف إلى طرف ، فإن نسخة واحدة من المادة الوراثية النموذجية لحقيقيات النوى ، أو الكروماتين ، ستمتد إلى حوالي 1 مليمتر ، في حين أن البكتريا ستمتد من 1 إلى 2 ميكرومتر - 500 إلى 1000 مرة فرق. تشتمل المادة الجينية لحقيقيات النوى على كل من الحمض النووي نفسه وبروتينات تسمى الهيستونات ، بينما يحتوي الحمض النووي بدائية النواة على عدد قليل من الأمينات (مركبات النيتروجين) وأيونات المغنيسيوم المرتبطة بها.

ربما يكون الاختلاف البنيوي الأكثر وضوحًا بين الخلايا البكتيرية والخلايا الأخرى هو حقيقة أن البكتيريا تمتلك جدرانًا خلوية. هذه الجدران مصنوعة من ببتيدوغليكان تقع الجزيئات خارج غشاء الخلية مباشرة ، والتي تتميز بها الخلايا من جميع الأنواع. تتكون الببتيدوغليكان من مزيج من السكريات متعددة السكاريد ومكونات البروتين ؛ وظيفتهم الرئيسية هي إضافة الحماية والصلابة للبكتيريا وتقديم نقطة تثبيت لهياكل مثل الشعيرة والسوط ، والتي تنشأ في غشاء الخلية وتمتد عبر جدار الخلية إلى البيئة الخارجية.

إذا كنت متخصصًا في علم الأحياء المجهرية تعمل في قرن مضى وأردت إنشاء دواء من شأنه أن يكون خطيرًا على الخلايا البكتيرية بينما يكون في الغالب غير ضار بالخلايا البشرية ، ولديك معرفة به التركيبات الخاصة بالتركيب الخلوي لهذه الكائنات الحية ، يمكنك القيام بذلك عن طريق تصميم أو العثور على مواد سامة لجدران الخلايا مع تجنيب الخلايا الأخرى عناصر. في الواقع ، هذا هو بالضبط كيف تعمل الكثير من المضادات الحيوية: فهي تستهدف جدران خلايا البكتيريا وتدمرها ، مما يؤدي إلى قتل البكتيريا نتيجة لذلك. البنسلينات، التي ظهرت في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي كأول فئة من المضادات الحيوية ، تعمل عن طريق تثبيط تخليق الببتيدوغليكان الذي يشكل جدران الخلايا لبعض البكتيريا ، وليس كلها. يفعلون ذلك عن طريق تعطيل إنزيم يحفز عملية تسمى الارتباط المتبادل في البكتيريا الحساسة. على مر السنين ، اختارت إدارة المضادات الحيوية للبكتيريا التي تصادف أنها تنتج مواد تسمى بيتا لاكتامازات ، والتي تستهدف البنسلينات "الغازية". وهكذا ، فإن "سباق التسلح" الطويل الأمد والذي لا ينتهي لا يزال ساري المفعول بين المضادات الحيوية وأهدافها الدقيقة المسببة للأمراض.

تتميز بعض البكتيريا بهياكل خارجية تساعد البكتيريا في تنقلها إلى العالم المادي. على سبيل المثال، الأسواط (المفرد: السوط) هي زوائد تشبه السوط توفر وسيلة تنقل للبكتيريا التي تمتلكها ، على غرار تلك الموجودة في الضفادع الصغيرة. في بعض الأحيان توجد في أحد طرفي الخلية البكتيرية. بعض البكتيريا لها كلا الطرفين. "يضرب" السوط تمامًا مثل المروحة ، مما يسمح للبكتيريا "بمطاردة" العناصر الغذائية ، و "الهروب" من المواد الكيميائية السامة أو التحرك نحو الضوء (تسمى بعض البكتيريا البكتيريا الزرقاء، تعتمد على التمثيل الضوئي للحصول على الطاقة مثل النباتات وبالتالي تتطلب التعرض المنتظم للضوء).

بيلي (المفرد: Pilus) ، تشبه من الناحية الهيكلية السوط ، لأنها نتوءات تشبه الشعر تمتد إلى الخارج من سطح الخلية البكتيرية. ومع ذلك ، فإن وظيفتهم مختلفة. بدلاً من المساعدة في الحركة ، تساعد الشعيرات البكتيريا على الارتباط بالخلايا والأسطح الأخرى ذات التركيبات المختلفة ، بما في ذلك الصخور والأمعاء وحتى مينا أسنانك. وبعبارة أخرى ، فإنها توفر "الالتصاق" للبكتيريا بالطريقة التي تسمح بها أصداف البرنقيل المميزة لهذه الكائنات بالالتصاق بالصخور. بدون الشعيرات الدموية ، فإن العديد من البكتيريا المسببة للأمراض (أي المسببة للأمراض) ليست معدية ، لأنها لا تستطيع الالتصاق بالأنسجة المضيفة. يتم استخدام نوع متخصص من pili لعملية تسمى اقتران، حيث تتبادل بكتيريا أجزاء من الحمض النووي.

إن البناء الشيطاني إلى حد ما لبعض البكتيريا هو الأبواغ الداخلية. عصية و المطثية يمكن أن تنتج الأنواع هذه الأبواغ ، التي تتميز بمقاومة عالية للحرارة ، ونسخ مجففة وغير نشطة من الخلايا البكتيرية الطبيعية التي يتم إنشاؤها داخل الخلايا. تحتوي على الجينوم الكامل الخاص بها وجميع الإنزيمات الأيضية. السمة الرئيسية للحفرة الداخلية هي طبقة البوغ الوقائية المعقدة. ينتج مرض التسمم الغذائي عن أ كلوستريديوم البوتولينوم endospore ، الذي يفرز مادة قاتلة تسمى الذيفان الداخلي.

تنتج البكتيريا من خلال عملية تسمى الانشطار الثنائي ، والتي تعني ببساطة الانقسام إلى نصفين وإنشاء زوج من الخلايا يتطابق كل منهما وراثيًا مع الخلية الأم. هذا الشكل اللاجنسي من التكاثر يتناقض بشكل حاد مع تكاثر حقيقيات النوى ، وهو التكاثر الجنسي أنه يشتمل على كائنين أصليين يساهمان في كمية متساوية من المادة الجينية لإنشاء النسل. في حين أن التكاثر الجنسي على السطح قد يبدو مرهقًا - بعد كل شيء ، لماذا تقديم هذه الخطوة المكلفة للغاية إذا كانت الخلايا يمكن أن تنقسم إلى نصفين بدلاً من ذلك؟ - إنه ضمان مطلق للتنوع الجيني ، وهذا النوع من التنوع ضروري لبقاء الأنواع.

فكر في الأمر: إذا كان كل إنسان متطابقًا وراثيًا أو قريبًا ، خاصة على مستوى الإنزيمات والبروتينات التي لا يمكنك رؤيتها ولكن ذلك يخدم وظائف التمثيل الغذائي الحيوية ، فإن نوعًا واحدًا من الخصم البيولوجي سيكون كافيًا للقضاء المحتمل على كل ذلك البشرية. أنت تعلم بالفعل أن البشر يختلفون في قابليتهم الوراثية لأشياء معينة ، من الرئيسية (يمكن أن يموت بعض الأشخاص من التعرض لمواد صغيرة للحساسية ، بما في ذلك الفول السوداني وسم النحل) إلى التافه نسبيًا (بعض الناس لا يستطيعون هضم سكر اللاكتاز ، مما يجعلهم غير قادرين على استهلاك منتجات الألبان دون اضطرابات خطيرة في الجهاز الهضمي أنظمة). النوع الذي يتمتع بقدر كبير من التنوع الجيني محمي إلى حد كبير من الانقراض ، لأن هذا التنوع يوفر المادة الخام التي يمكن أن تعمل عليها ضغوط الانتقاء الطبيعي المواتية. إذا كان 10 في المائة من سكان نوع معين محصنين ضد فيروس معين لم يختبر هذا النوع بعد ، فهذا مجرد نزوة. من ناحية أخرى ، إذا ظهر الفيروس في هذه المجموعة ، فقد لا يمر وقت طويل قبل أن تمثل هذه المصادفة 10 بالمائة 100 بالمائة من الكائنات الحية في هذا النوع.

نتيجة لذلك ، طورت البكتيريا عددًا من الطرق لضمان التنوع الجيني. وتشمل هذه التحول ، الاقتران و التوضيح. لا تستطيع جميع الخلايا البكتيرية الاستفادة من كل هذه العمليات ، ولكن فيما بينها ، تسمح لجميع الأنواع البكتيرية بالبقاء على قيد الحياة إلى حد أكبر بكثير مما يمكن أن تفعله بخلاف ذلك.

التحول هو عملية أخذ الحمض النووي من البيئة ، وينقسم إلى أشكال طبيعية واصطناعية. في التحول الطبيعي ، يتم استيعاب الحمض النووي من البكتيريا الميتة عبر غشاء الخلية ، على غرار الزبال ، ويتم دمجه في الحمض النووي للبكتيريا الباقية. في التحول الاصطناعي ، غالبًا ما يدخل العلماء عن عمد الحمض النووي إلى بكتيريا مضيفة E. القولونية (لأن هذا النوع يحتوي على جينوم صغير وبسيط يمكن التلاعب به بسهولة) من أجل دراسة هذه الكائنات أو إنشاء منتج بكتيري مرغوب. غالبًا ما يكون الحمض النووي المقدم من أ بلازميد حلقة تحدث بشكل طبيعي من الحمض النووي البكتيري.

الاقتران هو العملية التي من خلالها تستخدم بكتيريا واحدة شعيرة أو شعيرة "لحقن" الحمض النووي في بكتيريا ثانية عن طريق الاتصال المباشر. قد يكون الحمض النووي المنقول ، كما هو الحال مع التحول الاصطناعي ، بلازميدًا أو قد يكون جزءًا مختلفًا. قد يشتمل الحمض النووي الذي تم إدخاله حديثًا على جين حيوي يرمز للبروتينات التي تسمح بمقاومة المضادات الحيوية.

أخيرًا ، يعتمد التنبيغ على وجود فيروس غازي يسمى العاثية. تعتمد الفيروسات على الخلايا الحية للتكاثر لأنها ، على الرغم من أنها تمتلك مادة وراثية ، إلا أنها تفتقر إلى آلية عمل نسخ منها. تضع هذه العاثيات مادتها الجينية في الحمض النووي للبكتيريا التي تغزوها وتوجهها لإنتاج المزيد من العاثيات ، تحتوي جينوماتها بعد ذلك على مزيج من الحمض النووي البكتيري الأصلي و DNA البكتيريا. عندما تغادر هذه البكتيريا الجديدة الخلية ، يمكنها غزو البكتيريا الأخرى ونقل الحمض النووي المكتسب من المضيف السابق إلى الخلية البكتيرية الجديدة.