Характеристики на бактериална клетка

Клетките са основните единици на живота и като такива са най-малките отделни елементи на живите същества, които запазват всички ключови свойства, свързани с живите същества, включително метаболизъм, способност за възпроизвеждане и средство за поддържане на химикали баланс. Клетките са или прокариот, термин, отнасящ се до бактерии и разпръскване на едноклетъчни организми, или еукариот, което се отнася до растения, гъби и животни.

Бактериалните и други прокариотни клетки са далеч по-прости в почти всички отношения от техните еукариотни колеги. Всички клетки най-малко включват плазмена мембрана, цитоплазма и генетичен материал под формата на ДНК. Докато еукариотните клетки съдържат голямо разнообразие от елементи извън тези основни неща, тези три неща представляват почти цялата бактериална клетка. Бактериалните клетки обаче включват няколко характеристики, които еукариотните клетки не са, най-вече клетъчната стена.

Един единствен еукариотен организъм може да има трилиони клетки, въпреки че дрождите са едноклетъчни; бактериалните клетки, от друга страна, имат само една клетка. Като има предвид, че еукариотните клетки включват разнообразни мембранно свързани органели, като ядрото, митохондриите (при животните), хлоропласти (отговор на растенията на митохондриите), тела на Голджи, ендоплазмен ретикулум и лизозоми, бактериалните клетки нямат органели. И еукариотите, и прокариотите включват рибозоми, малките структури, отговорни за синтеза на протеини, но те са обикновено се визуализират по-лесно при еукариотите, тъй като толкова много от тях се струпват по линейната, подобна на лента ендоплазматична ретикулум.

Лесно е да се разглеждат бактериалните клетки и самите бактерии като „примитивни“, както поради по-голямата им еволюционна възраст (около 3,5 милиарда години, спрямо около 1,5 милиарда за прокариоти) и тяхната простота. Това обаче е подвеждащо по ред причини. Едната е, че от самата гледна точка на оцеляването на видовете по-сложният не означава непременно по-силен; по всяка вероятност бактериите като група ще надживеят хората и другите "висши" организми, след като условията на Земята се променят достатъчно. Втората причина е, че бактериалните клетки, макар и прости, са развили множество мощни механизми за оцеляване, каквито еукариотите не са.

Бактериалните клетки се предлагат в три основни форми: пръчковидни (бацилите), кръгли (коки) и спираловидни (спирили). Тези морфологични характеристики на бактериалните клетки могат да бъдат полезни при диагностицирането на инфекциозни заболявания, причинени от известни бактерии. Например "стрептокок в гърлото" се причинява от видове Стрептококи, които, както подсказва името, са кръгли, както са Стафилококи. Антраксът се причинява от голям бацил, а лаймската болест се причинява от спирохета, която е с форма на спирала. В допълнение към различните форми на отделните клетки, бактериалните клетки са склонни да се намират в клъстери, чиято структура варира в зависимост от въпросния вид. Някои пръчки и коки растат в дълги вериги, докато някои други коки се намират в клъстери, напомнящи донякъде формата на отделните клетки.

Повечето бактериални клетки могат, за разлика от вирусите, да живеят независимо от други организми и не са зависими от други живи същества за метаболитни или репродуктивни нужди. Изключения обаче съществуват; някои видове Рикетсии и Хламидии са задължително вътреклетъчни, което означава, че нямат друга възможност освен да обитават клетките на живите същества, за да оцелеят.

Липсата на ядро ​​на бактериалните клетки е причината първоначално да се разграничават прокариотните клетки еукариотни клетки, тъй като тази разлика е очевидна дори при микроскопи със сравнително ниско увеличение мощност. Бактериалната ДНК, макар и да не е заобиколена от ядрена мембрана като тази на еукариотите, все пак има тенденция да се групира отблизо и получената груба формация се нарича нуклеоид. В бактериалните клетки има значително по-малко ДНК, отколкото в еукариотните клетки; ако се разтегне от край до край, едно копие на типичния генетичен материал на еукарирота или хроматин, ще се разтегне до около 1 милиметър, докато този на бактерията би се простирал на около 1 до 2 микрометра - 500 до 1000 пъти разлика. Генетичният материал на еукариотите включва както самата ДНК, така и протеини, наречени хистони, докато прокариотната ДНК има няколко полиамини (азотни съединения) и магнезиеви йони, свързани с нея.

Може би най-очевидната структурна разлика между бактериалните клетки и другите клетки е фактът, че бактериите притежават клетъчни стени. Тези стени, направени от пептидогликан молекули, лежат точно извън клетъчната мембрана, която клетките от всички видове имат. Пептидогликаните се състоят от комбинация от полизахаридни захари и протеинови компоненти; основната им работа е да добавят защита и твърдост към бактериите и да предложат точка за закрепване на структури като пили и бичури, които произхождат от клетъчната мембрана и се простират през клетъчната стена към външната среда.

Ако сте микробиолог, оперирал през един отминал век и сте искали да създадете лекарство, което би било опасно за бактериалните клетки, макар и предимно безвредно за човешките клетки, и сте имали знания за съответните структури на клетъчния състав на тези организми, можете да направите това, като проектирате или намерите вещества, които са токсични за клетъчните стени, като същевременно щадят други клетки компоненти. Всъщност точно така действат много антибиотици: Те насочват и унищожават клетъчните стени на бактериите, като в резултат на това убиват бактериите. Пеницилини, възникнали в началото на 40-те години като първи клас антибиотици, действат като инхибират синтеза на пептидогликаните, изграждащи клетъчните стени на някои, но не на всички бактерии. Те правят това, като инактивират ензим, който катализира процес, наречен омрежване в чувствителни бактерии. През годините приложението на антибиотици е подбирало бактерии, които произвеждат вещества, наречени бета-лактамази, които са насочени към „нахлуващите“ пеницилини. По този начин дългогодишната и безкрайна "надпревара във въоръжаването" остава в сила между антибиотиците и техните малки, причиняващи заболявания цели.

Някои бактерии се отличават с външни структури, които помагат на бактериите да се ориентират във физическия свят. Например, флагела (единствено число: флагелум) са камшикови придатъци, които осигуряват средство за придвижване на бактериите, които ги притежават, подобно на това на поповите лъжички. Понякога се намират в единия край на бактериална клетка; някои бактерии ги имат в двата края. Бичът "бие" подобно на витлото, позволявайки на бактериите да "преследват" хранителните вещества, да "избягат" от токсични химикали или да се придвижат към светлината (някои бактерии, т.нар. цианобактерии, разчитайте на фотосинтеза за енергия като растенията и по този начин изискват редовно излагане на светлина).

Пили (единствено число: пилус), са структурно подобни на бичовете, тъй като са подобни на косми издатини, простиращи се навън от повърхността на бактериалната клетка. Тяхната функция обаче е различна. Вместо да помагат в движението, пили помагат на бактериите да се прикрепят към други клетки и повърхности с различен състав, включително скали, червата и дори емайла на зъбите ви. С други думи, те предлагат „лепкавост“ за бактериите по начина, по който характерните черупки на черупките позволяват на тези организми да се придържат към скалите. Без пили много патогенни (т.е. болестотворни) бактерии не са заразни, тъй като не могат да се придържат към тъканите гостоприемници. Специализиран вид пили се използват за процес, наречен конюгация, при което две бактерии обменят порции ДНК.

Доста дяволска конструкция на определени бактерии са ендоспорите. Бацил и Клостридий видове могат да произведат тези спори, които са силно топлоустойчиви, дехидратирани и неактивни версии на нормални бактериални клетки, които са създадени вътре в клетките. Те съдържат своя пълен геном и всички метаболитни ензими. Ключовата характеристика на ендоспората е сложната защитна обвивка от спори. Ботулизмът на заболяването се причинява от a Clostridium botulinum ендоспора, която отделя смъртоносно вещество, наречено ендотоксин.

Бактериите произвеждат чрез процес, наречен бинарен делене, което просто означава разделяне на половина и създаване на двойка клетки, всяка от които е генетично идентична с родителската клетка. Тази безполова форма на размножаване е в рязък контраст с размножаването на еукариоти, което е сексуално в че това включва два родителски организма, които допринасят еднакво количество генетичен материал за създаване на потомство. Докато сексуалното размножаване на повърхността може да изглежда тромаво - в края на краищата, защо да въвеждаме тази енергийно скъпа стъпка, ако клетките вместо това могат просто да се разделят наполовина? - това е абсолютна гаранция за генетично разнообразие и този вид разнообразие е от съществено значение за оцеляването на видовете.

Помислете за това: Ако всяко човешко същество беше генетично идентично или дори близко, особено на ниво ензими и протеини, които не можете да видите но които обслужват жизненоважни метаболитни функции, тогава един вид биологичен противник би бил достатъчен, за да унищожи всички от тях човечеството. Вече знаете, че хората се различават по своята генетична чувствителност към определени неща, от основните (някои хора могат да умрат от излагане на малка експозиция на алергени, включително фъстъци и пчелна отрова) до относително тривиалната (някои хора не могат да усвоят захарната лактаза, което ги прави неспособни да консумират млечни продукти без сериозни смущения в стомашно-чревния тракт) системи). Видове, които се радват на голямо генетично разнообразие, до голяма степен са защитени от изчезване, защото това разнообразие предлага суровината, върху която може да действа благоприятният натиск от естествения подбор. Ако 10% от популацията на даден вид се окаже имунизирана срещу определен вирус, който видът все още не е преживял, това е просто странност. Ако, от друга страна, вирусът се прояви в тази популация, може да мине много след това, 10% представляват 100% от оцелелите организми в този вид.

В резултат на това бактериите са разработили редица методи за осигуряване на генетично разнообразие. Те включват трансформация, спрежение и трансдукция. Не всички бактериални клетки могат да се възползват от всички тези процеси, но между тях те позволяват на всички бактериални видове да оцелеят в далеч по-голяма степен, отколкото биха направили иначе.

Трансформацията е процес на извличане на ДНК от околната среда и се разделя на естествени и изкуствени форми. При естествената трансформация ДНК от мъртви бактерии се интернализира чрез клетъчната мембрана, в стил чистач и се включва в ДНК на оцелелите бактерии. При изкуствена трансформация учените умишлено често въвеждат ДНК в бактерия гостоприемник Д. коли (тъй като този вид има малък, прост геном, който лесно се манипулира), за да се изследват тези организми или да се създаде желан бактериален продукт. Често въведената ДНК е от a плазмид, естествен пръстен от бактериална ДНК.

Конюгацията е процес, при който една бактерия използва пилус или пили, за да „инжектира“ ДНК във втора бактерия чрез директен контакт. Предадената ДНК може, както при изкуствената трансформация, да бъде плазмид или да е различен фрагмент. Нововъведената ДНК може да включва жизненоважен ген, който кодира протеини, позволяващи антибиотична резистентност.

И накрая, трансдукцията разчита на наличието на нахлуващ вирус, наречен бактериофаг. Вирусите разчитат на живите клетки да се репликират, тъй като, въпреки че притежават генетичен материал, им липсва машината да правят копия от него. Тези бактериофаги поставят свой собствен генетичен материал в ДНК на бактериите, които нахлуват и ги насочват бактерии, за да се получат повече фаги, геномите на които след това съдържат комбинация от оригиналната бактериална ДНК и ДНК на бактериофаги. Когато тези нови бактериофаги напуснат клетката, те могат да нахлуят в други бактерии и да предадат ДНК, придобита от предишния гостоприемник, в новата бактериална клетка.