Karakteristika for en bakteriecelle

Celler er livets grundlæggende enheder og er som sådan de mindste forskellige elementer i levende ting, der bevarer hele nøglen egenskaber forbundet med levende ting, herunder metabolisme, evnen til at reproducere og et middel til at opretholde kemikalie balance. Celler er enten prokaryotisk, et udtryk der henviser til bakterier og en smattering af encellede organismer, eller eukaryotisk, der henviser til planter, svampe og dyr.

Bakterielle og andre prokaryote celler er langt enklere på næsten alle måder end deres eukaryote kolleger. Alle celler i det mindste inkluderer en plasmamembran, cytoplasma og genetisk materiale i form af DNA. Mens eukaryote celler har en bred vifte af elementer ud over disse væsentlige, tegner disse tre ting sig for næsten hele bakterieceller. Bakterieceller inkluderer dog et par træk, som eukaryote celler nej ikke, især en cellevæg.

En enkelt eukaryot organisme kan have billioner af celler, selvom gær er encellet; bakterieceller har derimod kun en celle. Hvorimod eukaryote celler inkluderer en række membranbundne organeller, såsom kernen, mitokondrier (hos dyr), kloroplaster (plantes svar på mitokondrier), Golgi-legemer, det endoplasmatiske retikulum og lysosomer, bakterieceller har ingen organeller. Både eukaryoter og prokaryoter inkluderer ribosomer, de små strukturer, der er ansvarlige for proteinsyntese, men disse er typisk lettere visualiseret i eukaryoter, fordi så mange af dem klynger sig langs det lineære, båndlignende endoplasmatiske retikulum.

Det er let at betragte bakterieceller og selve bakterierne som "primitive" på grund af både deres større evolutionære alder (ca. 3,5 milliarder år vs. ca. 1,5 mia. til prokaryoter) og deres enkelhed. Dette er imidlertid vildledende af en række årsager. Den ene er, at mere kompleks set ud fra artsoverlevelse ikke nødvendigvis betyder mere robust; efter al sandsynlighed vil bakterier som en gruppe overleve mennesker og andre "højere" organismer, når forholdene på Jorden ændrer sig tilstrækkeligt. En anden grund er, at bakterieceller, selvom de er enkle, har udviklet en række potente overlevelsesmekanismer, som eukaryoter ikke har.

Bakterieceller kommer i tre grundlæggende former: stanglignende (bacillerne), runde (kokker) og spiralformede (spiriller). Disse morfologiske bakteriecelleegenskaber kan være nyttige til diagnosticering af smitsomme sygdomme forårsaget af kendte bakterier. For eksempel er "strep hals" årsager efter arter af Streptokokker, som, som navnet antyder, er runde, som de er Stafylokokker. Miltbrand er forårsaget af en stor bacillus, og Lyme-sygdommen er forårsaget af en spirochete, som er spiralformet. Ud over de forskellige celleformers forskellige former findes bakterieceller i klynger, hvis struktur varierer afhængigt af den pågældende art. Nogle stænger og kokker vokser i lange kæder, mens visse andre kokker findes i klynger, der minder om formen på individuelle celler.

De fleste bakterieceller kan, i modsætning til vira, leve uafhængigt af andre organismer og er ikke afhængige af andre levende ting til metaboliske eller reproduktive behov. Undtagelser findes dog; nogle arter af Rickettsiae og Chlamydiae er obligatorisk intracellulære, hvilket betyder at de ikke har nogen anden mulighed end at bebo cellerne i levende ting for at overleve.

Bakterieceller mangler en kerne er grunden til, at prokaryote celler oprindeligt blev skelnet fra eukaryote celler, da denne forskel er tydelig selv under mikroskop med relativt lav forstørrelse strøm. Bakterielt DNA, selvom det ikke er omgivet af en kernemembran som eukaryoter, har ikke desto mindre en tendens til at klynges tæt, og den resulterende grove dannelse kaldes en nukleoid. Der er samlet set betydeligt mindre DNA i bakterieceller end i eukaryote celler; hvis strakt ende til ende, ville en enkelt kopi af det typiske eukaryrote genetiske materiale eller kromatin strække sig til ca. 1 millimeter, hvorimod en bakteriers spændvidde er ca. 1 til 2 mikrometer - en 500- til 1.000 gange forskel. Det genetiske materiale af eukaryoter inkluderer både DNA i sig selv og proteiner kaldet histoner, mens prokaryot DNA har et par polyaminer (nitrogenforbindelser) og magnesiumioner forbundet med det.

Den mest åbenlyse strukturelle forskel mellem bakterieceller og andre celler er måske det faktum, at bakterier har cellevægge. Disse vægge er lavet af peptidoglycan molekyler, ligger lige uden for cellemembranen, hvilke celler af alle typer har. Peptidoglycaner består af en kombination af polysaccharidsukker og proteinkomponenter; deres hovedopgave er at tilføje beskyttelse og stivhed til bakterierne og tilbyde et forankringspunkt for strukturer som f.eks pili og flagella, som stammer fra cellemembranen og strækker sig gennem cellevæggen til det ydre miljø.

Hvis du var en mikrobiolog, der opererede i et svundent århundrede og ønskede at skabe et lægemiddel, der ville være farligt for bakterieceller, mens det for det meste var uskadeligt for menneskelige celler, og havde de respektive strukturer i disse organismeres cellulære sammensætning, kan du gå igennem dette ved at designe eller finde stoffer, der er giftige for cellevægge, mens du sparer andre celler komponenter. Faktisk er det netop sådan, som mange antibiotika fungerer: De målretter og ødelægger bakterievæggene og dræber bakterierne som et resultat. Penicilliner, der opstod i begyndelsen af ​​1940'erne som den første klasse af antibiotika, virker ved at hæmme syntesen af ​​peptidoglycaner, der udgør cellevæggene hos nogle, men ikke alle, bakterier. De gør dette ved at inaktivere et enzym, der katalyserer en proces kaldet tværbinding i modtagelige bakterier. I årenes løb har antibiotikabehandling valgt til bakterier, der tilfældigvis producerer stoffer kaldet beta-lactamaser, der er målrettet mod de "invaderende" penicilliner. Således forbliver et langvarigt og uendeligt "våbenløb" mellem antibiotika og deres små sygdomsfremkaldende mål.

Nogle bakterier har eksterne strukturer, der hjælper bakterierne med at navigere i den fysiske verden. For eksempel, flagella (ental: flagellum) er pisklignende vedhæng, der giver et bevægelsesmiddel for bakterier, der besidder dem, svarende til haletudser. Nogle gange findes de i den ene ende af en bakteriecelle; nogle bakterier har dem i begge ender. Flagellen "slog" meget som en propel gør, så bakterier kan "jage" næringsstoffer, "flygte" fra giftige kemikalier eller bevæge sig mod lys (nogle bakterier, kaldet cyanobakterier, stole på fotosyntese for energi som planter gør og kræver derfor regelmæssig eksponering for lys).

Pili (ental: pilus) ligner strukturelt flageller, da de er hårlignende fremspring, der strækker sig udad fra bakteriecelleoverfladen. Deres funktion er dog anderledes. I stedet for at hjælpe med bevægelse hjælper pili bakterier med at binde sig til andre celler og overflader med forskellige sammensætninger, herunder klipper, tarmene og endda emaljen på tænderne. Med andre ord tilbyder de "klæbrighed" til bakterier på den måde, som de karakteristiske skaller af fuglehorn tillader disse organismer at klæbe til klipper. Uden pili er mange patogene (dvs. sygdomsfremkaldende) bakterier ikke smitsomme, fordi de ikke kan klæbe til værtsvæv. En specialiseret type pili bruges til en proces kaldet bøjning, hvor to bakterier udveksler dele af DNA.

En temmelig djævelsk konstruktion af visse bakterier er endosporer. Bacillus og Clostridium arter kan producere disse sporer, som er meget varmebestandige, dehydreret og inaktive versioner af normale bakterieceller, der oprettes inde i cellerne. De indeholder deres eget komplette genom og alle metaboliske enzymer. Endosporens nøglefunktion er dens komplekse beskyttende sporepels. Sygdommen botulisme er forårsaget af en Clostridium botulinum endospore, som udskiller et dødbringende stof kaldet endotoksin.

Bakterier produceres ved en proces kaldet binær fission, hvilket simpelthen betyder opdeling i halvdelen og oprettelse af et par celler, der hver især er genetisk identiske med modercellen. Denne aseksuelle form for reproduktion er i skarp kontrast til reproduktionen af ​​eukaryoter, som er seksuel i at det involverer to moderorganismer, der bidrager med en lige så stor mængde genetisk materiale for at skabe et afkom. Mens seksuel reproduktion på overfladen kan virke besværlig - trods alt, hvorfor introducere dette energisk dyre trin, hvis celler bare kan splitte i halvdelen i stedet? - det er en absolut forsikring om genetisk mangfoldighed, og denne form for mangfoldighed er afgørende for artsoverlevelse.

Tænk over det: Hvis hvert menneske var genetisk identisk eller endda tæt på, især på niveau med enzymer og proteiner, kan du ikke se men som tjener vitale metaboliske funktioner, så ville en enkelt type biologisk modstander være tilstrækkelig til potentielt at udslette alt menneskeheden. Du ved allerede, at mennesker adskiller sig i deres genetiske modtagelighed for visse ting, fra de store (nogle mennesker kan dø af eksponering for små eksponeringer for allergener, herunder jordnødder og bi-gift) til det relativt trivielle (nogle mennesker kan ikke fordøje sukkerlaktasen, hvilket gør dem ude af stand til at forbruge mejeriprodukter uden alvorlige forstyrrelser i deres mave-tarmkanalen systemer). En art, der nyder meget genetisk mangfoldighed, er i vid udstrækning beskyttet mod udryddelse, fordi denne mangfoldighed tilbyder det råmateriale, som gunstigt naturligt selektionstryk kan virke på. Hvis 10 procent af befolkningen i en given art tilfældigvis er immun over for en bestemt virus, som arten endnu ikke har oplevet, er dette kun en finurlighed. Hvis virussen på den anden side manifesterer sig i denne population, kan det ikke vare længe, ​​før denne tilfældighed 10 procent repræsenterer 100 procent af overlevende organismer i denne art.

Som et resultat har bakterier udviklet en række metoder til at sikre genetisk mangfoldighed. Disse inkluderer transformation, konjugation og transduktion. Ikke alle bakterieceller kan gøre brug af alle disse processer, men mellem dem tillader de alle bakteriearter at overleve i langt større grad end de ellers ville.

Transformation er processen med at optage DNA fra miljøet, og den er opdelt i naturlige og kunstige former. I naturlig transformation internaliseres DNA fra døde bakterier via cellemembranen, rensemiddel og inkorporeres i DNA fra de overlevende bakterier. I kunstig transformation introducerer forskere forsætligt DNA i en værtsbakterie, ofte E. coli (fordi denne art har et lille, simpelt genom, der let kan manipuleres) for at studere disse organismer eller skabe et ønsket bakterieprodukt. Ofte er det indførte DNA fra en plasmid, en naturligt forekommende ring af bakterielt DNA.

Konjugering er den proces, hvorved en bakterie bruger en pilus eller pili til at "injicere" DNA i en anden bakterie via direkte kontakt. Det transmitterede DNA kan, som ved kunstig transformation, være et plasmid, eller det kan være et andet fragment. Det nyligt introducerede DNA kan omfatte et vitalt gen, der koder for proteiner, der muliggør antibiotikaresistens.

Endelig er transduktion afhængig af tilstedeværelsen af ​​en invaderende virus kaldet en bakteriofag. Virus stoler på, at levende celler replikerer, for selvom de har genetisk materiale, mangler de maskinerne til at lave kopier af det. Disse bakteriofager placerer deres eget genetiske materiale i DNA'et af de bakterier, de invaderer og styrer bakterier for at skabe flere fager, hvis genomer derefter indeholder en blanding af det oprindelige bakterielle DNA og bakteriofag-DNA. Når disse nye bakteriofager forlader cellen, kan de invadere andre bakterier og overføre DNA opnået fra den tidligere vært til den nye bakteriecelle.