Χαρακτηριστικά ενός βακτηριακού κυττάρου

Τα κύτταρα είναι οι θεμελιώδεις μονάδες της ζωής, και ως εκ τούτου είναι τα μικρότερα ξεχωριστά στοιχεία των ζωντανών όντων που διατηρούν όλο το κλειδί ιδιότητες που σχετίζονται με τα έμβια όντα, συμπεριλαμβανομένου του μεταβολισμού, της ικανότητας αναπαραγωγής και ενός μέσου διατήρησης χημικών ισορροπία. Τα κελιά είναι είτε προκαρυωτικός, ένας όρος που αναφέρεται σε βακτήρια και ένα μικροσκοπικό μονοκύτταρο οργανισμό, ή ευκαρυωτικός, που αναφέρεται σε φυτά, μύκητες και ζώα.

Τα βακτηριακά και άλλα προκαρυωτικά κύτταρα είναι πολύ απλούστερα σχεδόν με κάθε τρόπο από τα αντίστοιχα των ευκαρυωτικών τους. Όλα τα κύτταρα τουλάχιστον περιλαμβάνουν μεμβράνη πλάσματος, κυτταρόπλασμα και γενετικό υλικό με τη μορφή DNA. Ενώ τα ευκαρυωτικά κύτταρα διαθέτουν μια μεγάλη ποικιλία στοιχείων πέρα ​​από αυτά τα απαραίτητα, αυτά τα τρία πράγματα αντιπροσωπεύουν σχεδόν το σύνολο των βακτηριακών κυττάρων. Τα βακτηριακά κύτταρα, ωστόσο, περιλαμβάνουν μερικά χαρακτηριστικά που όχι τα ευκαρυωτικά κύτταρα, κυρίως ένα κυτταρικό τοίχωμα.

Ένας μεμονωμένος ευκαρυωτικός οργανισμός μπορεί να έχει τρισεκατομμύρια κύτταρα, αν και η μαγιά είναι μονοκυτταρική. βακτηριακά κύτταρα, από την άλλη πλευρά, έχουν μόνο ένα κύτταρο. Εκτιμώντας ότι τα ευκαρυωτικά κύτταρα περιλαμβάνουν μια ποικιλία οργανικών που συνδέονται με μεμβράνη, όπως ο πυρήνας, τα μιτοχόνδρια (σε ζώα), χλωροπλάστες (απάντηση των φυτών στα μιτοχόνδρια), τα σώματα Golgi, το ενδοπλασματικό δίκτυο και τα λυσοσώματα, τα βακτηριακά κύτταρα δεν έχουν οργανίδια. Τόσο τα ευκαρυωτικά όσο και τα προκαρυωτικά περιλαμβάνουν ριβοσώματα, τις μικροσκοπικές δομές που είναι υπεύθυνες για τη σύνθεση πρωτεϊνών, αλλά αυτές είναι τυπικά πιο εύκολα οπτικοποιείται σε ευκαρυώτες, επειδή πολλά από αυτά συσσωρεύονται κατά μήκος του γραμμικού ενδοπλασματικού σχήματος με κορδέλες πρόγραμμα σπουδών.

Είναι εύκολο να θεωρήσουμε τα βακτηριακά κύτταρα, και τα ίδια τα βακτήρια, ως «πρωτόγονα», λόγω τόσο της μεγαλύτερης εξελικτικής ηλικίας τους (περίπου 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια, έναντι περίπου 1,5 δισεκατομμύρια για προκαρυώτες) και την απλότητά τους. Αυτό, ωστόσο, είναι παραπλανητικό για διάφορους λόγους. Το ένα είναι ότι, από την καθαρή άποψη της επιβίωσης των ειδών, το πιο σύνθετο δεν σημαίνει απαραίτητα πιο στιβαρό. κατά πάσα πιθανότητα, τα βακτήρια ως ομάδα θα ξεπεράσουν τους ανθρώπους και άλλους "υψηλότερους" οργανισμούς όταν οι συνθήκες στη Γη αλλάξουν επαρκώς. Ένας δεύτερος λόγος είναι ότι τα βακτηριακά κύτταρα, αν και απλά, έχουν εξελιχθεί σε μια ποικιλία ισχυρών μηχανισμών επιβίωσης που δεν έχουν τα ευκαρυωτικά.

Τα βακτηριακά κύτταρα διατίθενται σε τρία βασικά σχήματα: σαν ράβδοι (οι βάκιλοι), στρογγυλοί (κόκκοι) και σπειροειδείς (σπιρίλια). Αυτά τα μορφολογικά χαρακτηριστικά βακτηριακών κυττάρων μπορούν να είναι χρήσιμα στη διάγνωση μολυσματικών ασθενειών που προκαλούνται από γνωστά βακτήρια. Για παράδειγμα, ο "στρεπτικός λαιμός" προκαλείται από είδη Στρεπτόκοκκοι, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι στρογγυλά, όπως είναι Σταφυλόκοκκοι. Ο Άνθρακας προκαλείται από έναν μεγάλο βακίλο και η νόσος του Lyme προκαλείται από μια σπειροχαίτη, η οποία έχει σχήμα σπειροειδούς. Εκτός από τα ποικίλα σχήματα των μεμονωμένων κυττάρων, τα βακτηριακά κύτταρα τείνουν να βρίσκονται σε συστάδες, η δομή των οποίων ποικίλλει ανάλογα με το εν λόγω είδος. Μερικές ράβδοι και κόκκοι αναπτύσσονται σε μεγάλες αλυσίδες, ενώ ορισμένοι άλλοι κόκκοι βρίσκονται σε συστάδες που θυμίζουν κάπως το σχήμα μεμονωμένων κυττάρων.

Τα περισσότερα βακτηριακά κύτταρα μπορούν, σε αντίθεση με τους ιούς, να ζουν ανεξάρτητα από άλλους οργανισμούς και δεν εξαρτώνται από άλλα ζωντανά πλάσματα για μεταβολικές ή αναπαραγωγικές ανάγκες. Ωστόσο, υπάρχουν εξαιρέσεις. ορισμένα είδη Rickettsiae και Χλαμύδια είναι υποχρεωτικά ενδοκυτταρικά, που σημαίνει ότι δεν έχουν άλλη επιλογή από το να κατοικήσουν τα κύτταρα των ζωντανών πραγμάτων για να επιβιώσουν.

Η έλλειψη πυρήνα από βακτηριακά κύτταρα είναι ο λόγος για τον οποίο αρχικά διακρίθηκαν τα προκαρυωτικά κύτταρα ευκαρυωτικά κύτταρα, καθώς αυτή η διαφορά είναι εμφανής ακόμη και κάτω από μικροσκόπια συγκριτικά χαμηλής μεγέθυνσης εξουσία. Το βακτηριακό DNA, αν και δεν περιβάλλεται από πυρηνική μεμβράνη όπως αυτή των ευκαρυωτικών, τείνει ωστόσο να συσσωρεύεται στενά, και ο προκύπτων τραχύς σχηματισμός ονομάζεται νουκλεοειδές. Υπάρχει πολύ μικρότερο DNA συνολικά στα βακτηριακά κύτταρα από ότι στα ευκαρυωτικά κύτταρα. εάν τεντωθεί από άκρο σε άκρο, ένα μόνο αντίγραφο του γενετικού υλικού του τυπικού ευκαρυώτη, ή της χρωματίνης, θα επεκταθεί σε περίπου 1 χιλιοστό, ενώ το βακτήριο θα κυμαινόταν περίπου 1 έως 2 μικρόμετρα - 500 έως 1.000 φορές διαφορά. Το γενετικό υλικό των ευκαρυωτικών περιλαμβάνει τόσο το ίδιο το DNA όσο και τις πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες, ενώ το προκαρυωτικό DNA έχει μερικές πολυαμίνες (ενώσεις αζώτου) και ιόντα μαγνησίου που σχετίζονται με αυτό.

Ίσως η πιο εμφανής διαρθρωτική διαφορά μεταξύ βακτηριακών κυττάρων και άλλων κυττάρων είναι το γεγονός ότι τα βακτήρια διαθέτουν κυτταρικά τοιχώματα. Αυτοί οι τοίχοι, κατασκευασμένοι από πεπτιδογλυκάνη μόρια, βρίσκονται ακριβώς έξω από την κυτταρική μεμβράνη, την οποία χαρακτηρίζουν τα κύτταρα όλων των τύπων. Οι πεπτιδογλυκάνες αποτελούνται από ένα συνδυασμό σακχάρων πολυσακχαριτών και πρωτεϊνικών συστατικών. Η κύρια δουλειά τους είναι να προσθέσουν προστασία και ακαμψία στα βακτήρια και να προσφέρουν ένα σημείο αγκύρωσης για κατασκευές όπως pili και flagella, τα οποία προέρχονται από την κυτταρική μεμβράνη και εκτείνονται μέσω του κυτταρικού τοιχώματος στο εξωτερικό περιβάλλον.

Εάν ήσασταν μικροβιολόγος που λειτουργούσε σε έναν περασμένο αιώνα και θέλατε να δημιουργήσετε ένα φάρμακο που θα ήταν επικίνδυνο για τα βακτηριακά κύτταρα, ενώ ως επί το πλείστον αβλαβές για τα ανθρώπινα κύτταρα και γνώριζα τις αντίστοιχες δομές της κυτταρικής σύνθεσης αυτών των οργανισμών, μπορείτε να το κάνετε με το σχεδιασμό ή την εύρεση ουσιών που είναι τοξικές για τα κυτταρικά τοιχώματα, ενώ παράλληλα εξοικονομείτε άλλα κύτταρα συστατικά. Στην πραγματικότητα, έτσι ακριβώς λειτουργούν πολλά αντιβιοτικά: Στοχεύουν και καταστρέφουν τα κυτταρικά τοιχώματα των βακτηρίων, σκοτώνοντας τα βακτήρια ως αποτέλεσμα. Πενικιλίνες, που εμφανίστηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1940 ως η πρώτη κατηγορία αντιβιοτικών, ενεργούν αναστέλλοντας τη σύνθεση των πεπτιδογλυκανών που αποτελούν τα κυτταρικά τοιχώματα ορισμένων, αλλά όχι όλων, βακτηρίων. Το κάνουν αυτό απενεργοποιώντας ένα ένζυμο που καταλύει μια διαδικασία που ονομάζεται διασύνδεση σε ευαίσθητα βακτήρια. Με την πάροδο των ετών, η χορήγηση αντιβιοτικών επέλεξε για βακτήρια που τυχαίνει να παράγουν ουσίες που ονομάζονται β-λακταμάσες, οι οποίες στοχεύουν τις «εισβολείς» πενικιλίνες. Έτσι, ένας μακροχρόνιος και ατελείωτος «αγώνας όπλων» παραμένει σε ισχύ μεταξύ των αντιβιοτικών και των μικροσκοπικών τους στόχων που προκαλούν ασθένειες.

Ορισμένα βακτήρια διαθέτουν εξωτερικές δομές που βοηθούν τα βακτήρια στην πλοήγησή τους στον φυσικό κόσμο. Για παράδειγμα, μαστίγια (singular: flagellum) είναι προσάρτημα τύπου μαστίγιο που παρέχουν ένα μέσο κίνησης για βακτήρια που τα διαθέτουν, παρόμοια με αυτά των γυρίνων. Μερικές φορές βρίσκονται στο ένα άκρο ενός βακτηριακού κυττάρου. ορισμένα βακτήρια τα έχουν και στα δύο άκρα. Η μαστίγια "χτυπά" όπως κάνει μια έλικα, επιτρέποντας στα βακτήρια να "κυνηγούν" θρεπτικά συστατικά, "να ξεφύγουν" από τοξικές χημικές ουσίες ή να κινηθούν προς το φως (μερικά βακτήρια, που ονομάζονται κυανοβακτήρια, βασιστείτε στη φωτοσύνθεση για ενέργεια όπως τα φυτά και συνεπώς απαιτούν τακτική έκθεση στο φως).

Πίλι (singular: pilus), είναι δομικά παρόμοια με τη μαστίγια, καθώς είναι προεξοχές τρίχας που εκτείνονται προς τα έξω από την επιφάνεια των βακτηριακών κυττάρων. Η λειτουργία τους, ωστόσο, είναι διαφορετική. Αντί να βοηθά στην κίνηση, το pili βοηθά τα βακτήρια να προσκολληθούν σε άλλα κύτταρα και επιφάνειες διαφόρων συνθέσεων, όπως βράχους, τα έντερα και ακόμη και το σμάλτο των δοντιών σας. Με άλλα λόγια, προσφέρουν «κολλητικότητα» στα βακτήρια με τον τρόπο που τα χαρακτηριστικά κελύφη των καραμέλων επιτρέπουν σε αυτούς τους οργανισμούς να προσκολληθούν σε βράχους. Χωρίς τσίλι, πολλά παθογόνα βακτήρια (δηλαδή, που προκαλούν ασθένειες) δεν είναι μολυσματικά, επειδή δεν μπορούν να προσκολληθούν σε ιστούς ξενιστές. Ένας εξειδικευμένος τύπος pili χρησιμοποιείται για μια διαδικασία που ονομάζεται σύζευξη, όπου δύο βακτήρια ανταλλάσσουν τμήματα DNA.

Μια μάλλον διαβολική κατασκευή ορισμένων βακτηρίων είναι τα ενδοσπόρια. Βακίλλος και Κλωστρίδιο είδη μπορούν να παράγουν αυτά τα σπόρια, τα οποία είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στη θερμότητα, αφυδατωμένα και ανενεργά εκδόσεις φυσιολογικών βακτηριακών κυττάρων που δημιουργούνται μέσα στα κύτταρα. Περιέχουν το δικό τους πλήρες γονιδίωμα και όλα τα μεταβολικά ένζυμα. Το βασικό χαρακτηριστικό του ενδοσπόρου είναι το περίπλοκο προστατευτικό του σπόριο. Η ασθένεια αλλαντίασης προκαλείται από ένα Clostridium botulinum ενδοσπόριο, το οποίο εκκρίνει μια θανατηφόρα ουσία που ονομάζεται ενδοτοξίνη.

Τα βακτήρια παράγονται με μια διαδικασία που ονομάζεται δυαδική σχάση, που σημαίνει απλώς τη διάσπαση στα μισά και τη δημιουργία ενός ζεύγους κυττάρων που το καθένα είναι γενετικά ταυτόσημο με το γονικό κύτταρο. Αυτή η ασεξουαλική μορφή αναπαραγωγής είναι σε έντονη αντίθεση με την αναπαραγωγή ευκαρυωτικών, η οποία είναι σεξουαλική ότι περιλαμβάνει δύο γονικούς οργανισμούς που συνεισφέρουν ίση ποσότητα γενετικού υλικού για τη δημιουργία ενός απόγονος. Ενώ η σεξουαλική αναπαραγωγή στην επιφάνεια μπορεί να φαίνεται δυσκίνητη - τελικά, γιατί να εισαγάγετε αυτό το πολύ δαπανηρό βήμα εάν τα κύτταρα μπορούν να χωριστούν στο μισό; - αποτελεί απόλυτη διασφάλιση της γενετικής ποικιλομορφίας και αυτό το είδος ποικιλομορφίας είναι απαραίτητο για την επιβίωση των ειδών.

Σκεφτείτε το: Αν κάθε άνθρωπος ήταν γενετικά πανομοιότυπος ή ακόμη και κοντά, ειδικά στο επίπεδο των ενζύμων και των πρωτεϊνών που δεν μπορείτε να δείτε αλλά που εξυπηρετούν ζωτικές μεταβολικές λειτουργίες, τότε ένας μόνος τύπος βιολογικού αντιπάλου θα ήταν αρκετός για πιθανή εξάλειψη όλων ανθρώπινο γένος. Γνωρίζετε ήδη ότι οι άνθρωποι διαφέρουν στη γενετική τους ευαισθησία σε ορισμένα πράγματα, από τα μείζονα (μερικοί άνθρωποι μπορούν να πεθάνουν από την έκθεση σε μικρές εκθέσεις σε αλλεργιογόνα, συμπεριλαμβανομένων των φυστικιών) και το δηλητήριο της μέλισσας) στο σχετικά ασήμαντο (μερικοί άνθρωποι δεν μπορούν να αφομοιώσουν τη λακτάση του σακχάρου, καθιστώντας τους ανίκανοι να καταναλώσουν γαλακτοκομικά προϊόντα χωρίς σοβαρές διαταραχές στο γαστρεντερικό τους συστήματα). Ένα είδος που απολαμβάνει μεγάλη γενετική ποικιλομορφία προστατεύεται σε μεγάλο βαθμό από την εξαφάνιση, επειδή αυτή η ποικιλομορφία προσφέρει την πρώτη ύλη στην οποία μπορούν να δρουν ευνοϊκές φυσικές πιέσεις επιλογής. Εάν το 10 τοις εκατό του πληθυσμού ενός συγκεκριμένου είδους τυχαίνει να είναι άνοσο σε έναν συγκεκριμένο ιό που το είδος δεν έχει ακόμη βιώσει, αυτό είναι ένα απλό παράξενο. Εάν, από την άλλη πλευρά, ο ιός εκδηλωθεί σε αυτόν τον πληθυσμό, μπορεί να μην περάσει πολύς καιρός πριν από αυτό το συμβάν, το 10% αντιπροσωπεύει το 100% των επιζώντων οργανισμών σε αυτό το είδος.

Ως αποτέλεσμα, τα βακτήρια έχουν αναπτύξει μια σειρά μεθόδων για τη διασφάλιση της γενετικής ποικιλομορφίας. Αυτά περιλαμβάνουν μετασχηματισμός, σύζευξη και μεταγωγή. Δεν μπορούν όλα τα βακτηριακά κύτταρα να κάνουν χρήση όλων αυτών των διεργασιών, αλλά μεταξύ τους, επιτρέπουν σε όλα τα βακτηριακά είδη να επιβιώσουν σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό από ότι διαφορετικά.

Ο μετασχηματισμός είναι η διαδικασία λήψης DNA από το περιβάλλον και χωρίζεται σε φυσικές και τεχνητές μορφές. Στον φυσικό μετασχηματισμό, το DNA από νεκρά βακτήρια ενσωματώνεται μέσω της κυτταρικής μεμβράνης, σε στιλ σαρωτή και ενσωματώνεται στο DNA των επιζώντων βακτηρίων. Κατά τον τεχνητό μετασχηματισμό, οι επιστήμονες εισάγουν σκόπιμα το DNA σε ένα βακτήριο ξενιστή, συχνά ΜΙ. coli (επειδή αυτό το είδος έχει ένα μικρό, απλό γονιδίωμα που χειρίζεται εύκολα) προκειμένου να μελετήσει αυτούς τους οργανισμούς ή να δημιουργήσει ένα επιθυμητό βακτηριακό προϊόν. Συχνά, το εισαγόμενο DNA προέρχεται από ένα πλασμίδιο, ένας φυσικός δακτύλιος βακτηριακού DNA.

Η σύζευξη είναι η διαδικασία με την οποία ένα βακτήριο χρησιμοποιεί ένα pilus ή pili για να "εγχύσει" DNA σε ένα δεύτερο βακτήριο μέσω άμεσης επαφής. Το μεταδιδόμενο DNA μπορεί, όπως και με τον τεχνητό μετασχηματισμό, να είναι ένα πλασμίδιο ή μπορεί να είναι ένα διαφορετικό θραύσμα. Το πρόσφατα εισαγόμενο DNA μπορεί να περιλαμβάνει ένα ζωτικό γονίδιο που κωδικοποιεί πρωτεΐνες που επιτρέπουν αντοχή στα αντιβιοτικά.

Τέλος, η μεταγωγή βασίζεται στην παρουσία ενός ιού εισβολής που ονομάζεται βακτηριοφάγος. Οι ιοί βασίζονται σε ζωντανά κύτταρα για να αναπαραχθούν επειδή, παρόλο που διαθέτουν γενετικό υλικό, δεν διαθέτουν τα μηχανήματα για να δημιουργήσουν αντίγραφα αυτού. Αυτοί οι βακτηριοφάγοι τοποθετούν το δικό τους γενετικό υλικό στο DNA των βακτηρίων που εισβάλλουν και κατευθύνουν το βακτήρια για την παραγωγή περισσότερων φάγων, τα γονιδιώματα των οποίων στη συνέχεια περιέχουν ένα μείγμα του αρχικού βακτηριακού DNA και του DNA βακτηριοφάγου. Όταν αυτά τα νέα βακτηριοφάγα φεύγουν από το κύτταρο, μπορούν να εισβάλουν σε άλλα βακτήρια και να μεταδώσουν το DNA που αποκτήθηκε από τον προηγούμενο ξενιστή στο νέο βακτηριακό κύτταρο.