Vlastnosti bakteriální buňky

Buňky jsou základní jednotkou života a jako takové jsou nejmenšími zřetelnými prvky živých věcí, které si zachovávají veškerý klíč vlastnosti spojené s živými bytostmi, včetně metabolismu, reprodukční schopnosti a prostředků k udržení chemických látek Zůstatek. Buňky jsou buď prokaryotický, termín označující bakterie a roztříštění jednobuněčných organismů, nebo eukaryotický, což se týká rostlin, hub a zvířat.

Bakteriální a jiné prokaryotické buňky jsou téměř ve všech směrech mnohem jednodušší než jejich eukaryotické protějšky. Všechny buňky zahrnují minimálně plazmatickou membránu, cytoplazmu a genetický materiál ve formě DNA. Zatímco eukaryotické buňky mají kromě těchto podstatných prvků celou řadu prvků, tyto tři věci představují téměř celou řadu bakteriálních buněk. Bakteriální buňky však obsahují několik funkcí, které eukaryotické buňky nemají, zejména buněčnou stěnu.

Jediný eukaryotický organismus může mít biliony buněk, ačkoli kvasinky jsou jednobuněčné; bakteriální buňky na druhé straně mají pouze jednu buňku. Zatímco eukaryotické buňky zahrnují různé organely vázané na membránu, jako je jádro, mitochondrie (u zvířat), chloroplasty (odpověď rostlin na mitochondrie), Golgiho těla, endoplazmatické retikulum a lysozomy, bakteriální buňky nemají organely. Eukaryoty i prokaryoty zahrnují ribozomy, drobné struktury odpovědné za syntézu bílkovin, ale jsou obvykle snadněji vizualizovatelné v eukaryotech, protože tolik z nich se shlukuje podél lineárního endoplazmatického pásu retikulum.

Je snadné považovat bakteriální buňky a samotné bakterie za „primitivní“, a to kvůli jejich vyššímu evolučnímu věku (asi 3,5 miliardy let, vs. asi 1,5 miliardy u prokaryot) a jejich jednoduchost. To je však zavádějící z mnoha důvodů. Jedním z nich je, že z čistého hlediska přežití druhů nemusí složitější nutně znamenat robustnější; s největší pravděpodobností bakterie jako skupina přežijí lidi a jiné „vyšší“ organismy, jakmile se podmínky na Zemi dostatečně změní. Druhým důvodem je, že bakteriální buňky, i když jsou jednoduché, si vyvinuly řadu účinných mechanismů přežití, které eukaryoty nemají.

Bakteriální buňky mají tři základní tvary: tyčinkovité (bacily), kulaté (koky) a spirálovité (spirilli). Tyto morfologické vlastnosti bakteriálních buněk mohou být užitečné při diagnostice infekčních onemocnění způsobených známými bakteriemi. Například „streptokok“ je způsoben druhy Streptokoky, které, jak název napovídá, jsou stejně kulaté Stafylokoky. Anthrax je způsoben velkým bacilem a lymská borelióza je způsobena spirochetou ve tvaru spirály. Kromě různých tvarů jednotlivých buněk se bakteriální buňky obvykle nacházejí ve shlucích, jejichž struktura se liší v závislosti na dotyčných druzích. Některé tyče a koky rostou v dlouhých řetězcích, zatímco některé další koky se nacházejí ve shlucích, které poněkud připomínají tvar jednotlivých buněk.

Většina bakteriálních buněk může na rozdíl od virů žít nezávisle na jiných organismech a pro metabolické nebo reprodukční potřeby není závislá na jiných živých věcech. Výjimky však existují; některé druhy Rickettsiae a Chlamydie jsou povinně intracelulární, což znamená, že nemají jinou možnost, než obývat buňky živých věcí, aby přežily.

Nedostatek jádra bakteriálních buněk je důvodem, proč se původně odlišovaly prokaryotické buňky eukaryotické buňky, protože tento rozdíl je patrný i pod mikroskopy s relativně malým zvětšením Napájení. Bakteriální DNA, i když není obklopena jadernou membránou, jako je tomu u eukaryot, má tendenci se těsně shlukovat a výsledná hrubá formace se nazývá nukleoid. V bakteriálních buňkách je celkově podstatně méně DNA než v eukaryotických buňkách; pokud by se protáhl jeden konec k druhému, jedna kopie typického genetického materiálu eukaryrote nebo chromatin by se natáhla na asi 1 milimetr, zatímco bakterie by měla rozpětí asi 1 až 2 mikrometry - 500krát až 1 000krát rozdíl. Genetický materiál eukaryot zahrnuje jak samotnou DNA, tak proteiny zvané histony, zatímco prokaryotická DNA obsahuje několik polyaminů (sloučeniny dusíku) a ionty hořčíku.

Snad nejviditelnějším strukturálním rozdílem mezi bakteriálními buňkami a jinými buňkami je skutečnost, že bakterie mají buněčné stěny. Tyto zdi, vyrobené z peptidoglykan molekuly, leží těsně mimo buněčnou membránu, kterou mají buňky všech typů. Peptidoglykany sestávají z kombinace polysacharidových cukrů a proteinových složek; jejich hlavním úkolem je přidat ochranu a tuhost bakteriím a nabídnout kotevní bod pro struktury jako např pili a bičíky, které pocházejí z buněčné membrány a procházejí buněčnou stěnou do vnějšího prostředí.

Pokud jste byli mikrobiologem působícím v minulém století a chtěli byste vytvořit lék, který by byl nebezpečný pro bakteriální buňky a zároveň neškodný pro lidské buňky, a měli byste znalosti příslušné struktury buněčného složení těchto organismů, můžete to udělat tak, že navrhnete nebo najdete látky, které jsou toxické pro buněčné stěny, a šetříte ostatní buňky komponenty. Ve skutečnosti přesně tak funguje mnoho antibiotik: Zaměřují a ničí buněčné stěny bakterií a výsledkem je zabíjení bakterií. Peniciliny, které se začátkem 40. let objevily jako první třída antibiotik, působí inhibicí syntézy peptidoglykanů, které tvoří buněčné stěny některých, ale ne všech, bakterií. Dělají to deaktivací enzymu, který katalyzuje proces zvaný zesíťování u citlivých bakterií. V průběhu let si podávání antibiotik vybralo pro bakterie, které náhodou produkují látky zvané beta-laktamázy, které se zaměřují na „napadající“ peniciliny. Mezi antibiotiky a jejich malými, choroboplodnými cíli tak zůstává v platnosti dlouhodobý a nikdy nekončící „závod ve zbrojení“.

Některé bakterie mají vnější struktury, které jim pomáhají při navigaci ve fyzickém světě. Například, bičíky (singular: flagellum) jsou bičíkovité přídavky, které poskytují pohybové prostředky pro bakterie, které je mají, podobně jako pulci. Někdy se nacházejí na jednom konci bakteriální buňky; některé bakterie je mají na obou koncích. Bičíky „bijí“ podobně jako vrtule, což umožňuje bakteriím „pronásledovat“ živiny, „unikat“ z toxických chemikálií nebo se pohybovat směrem ke světlu (některé bakterie, tzv. sinice, spoléhejte na fotosyntézu pro energii jako rostliny, a proto vyžadují pravidelné vystavení světlu).

Pili (singulární: pilus), jsou strukturně podobné bičíkům, protože jsou to vlasové projekce, které se táhnou ven z povrchu bakteriálních buněk. Jejich funkce je však odlišná. Spíše než pomáhat při pohybu, pili pomáhá bakteriím připojit se k jiným buňkám a povrchům různých složení, včetně hornin, vašich střev a dokonce i zubní skloviny. Jinými slovy, nabízejí bakteriím „přilnavost“ tak, jak charakteristické skořápky barnacles umožňují těmto organismům přilnout ke skalám. Bez pili není mnoho patogenních (tj. Choroboplodných) bakterií infekčních, protože nemohou přilnout k hostitelským tkáním. Specializovaný typ pili se používá pro proces zvaný časování, ve kterém si dvě bakterie vyměňují části DNA.

Docela ďábelským konstruktem určitých bakterií jsou endospory. Bacil a Clostridium Druhy mohou produkovat tyto spory, které jsou vysoce tepelně odolné, dehydratované a neaktivní verze normálních bakteriálních buněk, které jsou vytvořeny uvnitř buněk. Obsahují vlastní kompletní genom a všechny metabolické enzymy. Klíčovým rysem endospory je její komplexní ochranný spórový plášť. Botulismus choroby je způsoben a Clostridium botulinum endospora, která vylučuje smrtící látku zvanou endotoxin.

Bakterie se produkují procesem zvaným binární štěpení, což jednoduše znamená rozdělení na polovinu a vytvoření páru buněk, které jsou každá geneticky identická s mateřskou buňkou. Tato nepohlavní forma reprodukce je v ostrém kontrastu s reprodukcí eukaryot, která je v ní sexuální že zahrnuje dva mateřské organismy přispívající stejným množstvím genetického materiálu k vytvoření potomek. Zatímco sexuální reprodukce na povrchu se může zdát těžkopádná - koneckonců, proč zavádět tento energeticky nákladný krok, když se místo toho mohou buňky rozdělit jen na polovinu? - je to absolutní záruka genetické rozmanitosti a tento druh rozmanitosti je nezbytný pro přežití druhů.

Přemýšlejte o tom: Kdyby byl každý člověk geneticky identický nebo dokonce blízký, zvláště na úrovni enzymů a bílkovin, kterou nevidíte ale které slouží životně důležitým metabolickým funkcím, pak by stačil jediný typ biologického protivníka, který by mohl všechny zničit lidstvo. Už víte, že lidé se liší v genetické náchylnosti k určitým věcem, od hlavních (někteří lidé mohou zemřít při vystavení malým expozicím alergenům, včetně arašídů a včelí jed) na relativně triviální (někteří lidé nemohou trávit laktázu cukru, takže nemohou konzumovat mléčné výrobky bez vážného narušení gastrointestinálního traktu systémy). Druh, který má velkou genetickou rozmanitost, je do značné míry chráněn před vyhynutím, protože tato rozmanitost nabízí surovinu, na kterou mohou působit příznivé tlaky přirozeného výběru. Pokud se stane, že 10 procent populace daného druhu je imunních vůči určitému viru, který tento druh ještě nezažil, je to pouhá vtípek. Pokud se na druhé straně virus v této populaci projeví, nemusí to být dlouho předtím, než se tak stane, 10 procent představuje 100 procent přežívajících organismů u tohoto druhu.

Výsledkem je, že bakterie vyvinuly řadu metod pro zajištění genetické rozmanitosti. Tyto zahrnují transformace, konjugace a transdukce. Ne všechny bakteriální buňky mohou využívat všechny tyto procesy, ale mezi nimi umožňují všem bakteriálním druhům přežít v mnohem větší míře, než by tomu bylo jinak.

Transformace je proces přijímání DNA z prostředí a je rozdělena na přírodní a umělou formu. Při přirozené transformaci je DNA z mrtvých bakterií internalizována prostřednictvím buněčné membrány ve stylu mrchožroutů a začleněna do DNA přežívajících bakterií. Při umělé transformaci vědci záměrně často zavádějí DNA do hostitelské bakterie E. coli (protože tento druh má malý, jednoduchý genom, se kterým se snadno manipuluje) za účelem studia těchto organismů nebo vytvoření požadovaného bakteriálního produktu. Zavedená DNA je často z a plazmid, přirozeně se vyskytující kruh bakteriální DNA.

Konjugace je proces, při kterém jedna bakterie používá pilus nebo pili k „injekci“ DNA do druhé bakterie přímým kontaktem. Přenášená DNA může, stejně jako u umělé transformace, být plazmid nebo to může být jiný fragment. Nově zavedená DNA může zahrnovat životně důležitý gen, který kóduje proteiny umožňující odolnost vůči antibiotikům.

Nakonec se transdukce spoléhá na přítomnost napadajícího viru zvaného bakteriofág. Viry se spoléhají na replikaci živých buněk, protože i když mají genetický materiál, postrádají strojní zařízení k jejich pořizování. Tyto bakteriofágy umístí svůj vlastní genetický materiál do DNA bakterií, které napadají, a řídí je bakterie vytvářejí více fágů, jejichž genomy pak obsahují směs původní bakteriální DNA a bakterií bakteriofágová DNA. Když tyto nové bakteriofágy opustí buňku, mohou napadnout další bakterie a přenášet DNA získanou od předchozího hostitele do nové bakteriální buňky.