Bakteriraku omadused

Rakud on elu põhiüksused ja sellistena on elusolendite väikseimad eraldiseisvad elemendid, mis säilitavad kogu võtme elusolenditega seotud omadused, sealhulgas ainevahetus, paljunemisvõime ja vahend kemikaali säilitamiseks tasakaal. Rakud on kas prokarüootne, mõiste, mis viitab bakteritele ja üherakuliste organismide purustamisele või eukarüoot, mis viitab taimedele, seentele ja loomadele.

Bakteriaalsed ja muud prokarüootsed rakud on peaaegu igas mõttes palju lihtsamad kui nende eukarüootsed analoogid. Kõik rakud sisaldavad vähemalt plasmamembraani, tsütoplasmat ja geneetilist materjali DNA kujul. Kui eukarüootsetes rakkudes on lisaks nendele olulistele elementidele palju erinevaid elemente, moodustavad need kolm asja peaaegu kogu bakteriraku. Bakterirakud sisaldavad siiski mõnda omadust, mida eukarüootsed rakud ei ole, eriti rakusein.

Ühel eukarüootsel organismil võib olla triljoneid rakke, kuigi pärm on üherakuline; bakterirakkudel on seevastu ainult üks rakk. Eukarüootsete rakkude hulka kuuluvad mitmesugused membraaniga seotud organellid, näiteks tuum, mitokondrid (loomadel), kloroplastid (taimede vastus mitokondritele), Golgi kehad, endoplasmaatiline retikulum ja lüsosoomid, bakterirakkudel puudub organellid. Nii eukarüootide kui ka prokarüootide hulka kuuluvad ribosoomid, pisikesed struktuurid, mis vastutavad valgusünteesi eest, kuid need on tavaliselt kergemini visualiseeritav eukarüootides, kuna nii paljud neist koonduvad mööda lineaarset, lindilaadset endoplasmaatilist retikulum.

Bakterirakke ja baktereid endid on lihtne pidada "primitiivseteks", seda nii nende suurema evolutsioonilise vanuse (umbes 3,5 miljardit aastat vs. umbes 1,5 miljardit prokarüootide puhul) ja nende lihtsus. See on aga mitmel põhjusel eksitav. Üks on see, et liikide ellujäämise seisukohast ei tähenda keerulisem ilmtingimata jõulisemat; suure tõenäosusega ületavad bakterid rühmana inimesi ja teisi "kõrgemaid" organisme, kui Maa tingimused muutuvad piisavalt. Teine põhjus on see, et bakterirakud on küll lihtsad, kuid on välja töötanud mitmesugused tugevad ellujäämismehhanismid, mida eukarüootid pole.

Bakterirakkudel on kolm põhikuju: vardakujulised (batsillid), ümarad (kookid) ja spiraalsed (spirillid). Need morfoloogilised bakterirakkude omadused võivad olla kasulikud teadaolevate bakterite põhjustatud nakkushaiguste diagnoosimisel. Näiteks on "streptokokk" põhjustatud liigiti Streptokokid, mis, nagu nimigi ütleb, on ümmargused Stafülokokid. Siberi katku põhjustab suur batsill ja puukborrelioosi spiraalikujuline spiroheet. Lisaks üksikute rakkude erinevale kujule kipuvad bakterirakud leiduma klastrites, mille struktuur varieerub sõltuvalt kõnealusest liigist. Mõned vardad ja kookid kasvavad pikkade ahelatena, samas kui teatud teised kookid asuvad klastrites, mis meenutavad mõnevõrra üksikute rakkude kuju.

Enamik bakterirakke võivad erinevalt viirustest elada teistest organismidest sõltumatult ega ole metaboolsete või reproduktiivsete vajaduste jaoks sõltuvad muudest elusolenditest. Erandeid on siiski olemas; mõned liigid Rickettsiae ja Klamüüdiad on kohustuslikult rakusisesed, mis tähendab, et neil pole ellujäämiseks muud võimalust kui elusolendite rakud asustada.

Bakterirakkude tuuma puudumine on põhjus, miks prokarüootsetest rakkudest algselt eristati eukarüootsed rakud, kuna see erinevus ilmneb isegi suhteliselt väikese suurendusega mikroskoopides võim. Ehkki bakteriaalne DNA ei ole ümbritsetud tuumamembraaniga, nagu eukarüootide oma, kipub sellegipoolest tihedalt klastrima ja sellest tulenevat karedat moodustist nimetatakse nukleoidiks. Bakterirakkudes on DNA-d oluliselt vähem kui eukarüootsetes rakkudes; otsast lõpuni venitatuna veniks tüüpilise eukarüootide geneetilise materjali ehk kromatiini üks koopia umbes 1 millimeeter, samas kui bakteri oma ulatuks umbes 1 kuni 2 mikromeetrit - 500 kuni 1000 korda erinevus. Eukarüootide geneetiline materjal sisaldab nii DNA ennast kui ka valke, mida nimetatakse histoonideks, samas kui prokarüootse DNA-ga on seotud mõned polüamiinid (lämmastikuühendid) ja magneesiumioonid.

Võib-olla on kõige ilmsem struktuurne erinevus bakterirakkude ja teiste rakkude vahel see, et bakteritel on rakuseinad. Need seinad on valmistatud peptidoglükaan molekulid, asuvad just väljaspool rakumembraani, mida iseloomustavad igat tüüpi rakud. Peptidoglükaanid koosnevad polüsahhariidsuhkrute ja valgukomponentide kombinatsioonist; nende peamine ülesanne on lisada bakteritele kaitset ja jäikust ning pakkuda kinnituspunkti sellistele struktuuridele nagu pili ja flagella, mis pärinevad rakumembraanist ja ulatuvad läbi rakuseina väliskeskkonda.

Kui te oleksite möödunud sajandil tegutsenud mikrobioloog ja sooviksite luua ravimit, mis oleks bakterirakkudele ohtlik, kuid enamasti inimrakkudele kahjutu, ja oleksite teadlikud nende organismide rakukoostise vastavaid struktuure, võiksite seda teha, kavandades või leides rakuseintele toksilisi aineid, säästes samal ajal teisi rakke komponendid. Tegelikult toimivad paljud antibiootikumid just nii: need suunavad ja hävitavad bakterirakkude seinu, tappes selle tagajärjel bakterid. Penitsilliinid, mis tekkis 1940. aastate alguses kui esimene antibiootikumide klass, pärsib mõnede, kuid mitte kõigi bakterite rakuseina moodustavate peptidoglükaanide sünteesi. Nad teevad seda inaktiveerides ensüümi, mis katalüüsib protsessi, mida nimetatakse vastuvõtlikes bakterites ristsidumiseks. Aastate jooksul on antibiootikumide manustamine valitud bakterite jaoks, kes juhuslikult toodavad aineid, mida nimetatakse beetalaktamaasideks ja mis on suunatud "sissetungivatele" penitsilliinidele. Seega püsib antibiootikumide ja nende pisikeste, haigusi põhjustavate sihtmärkide vahel pikaajaline ja lõputu "võidurelvastumine".

Mõnel bakteril on välised struktuurid, mis aitavad bakteritel liikuda füüsilises maailmas. Näiteks, lipuke (ainsus: flagellum) on piitsalaadsed liited, mis pakuvad neid omavate bakterite jaoks liikumisvahendit, mis sarnaneb kullese omaga. Mõnikord leitakse neid bakteriraku ühes otsas; mõnel bakteril on neid mõlemas otsas. Flagella "peksab" umbes nagu propeller, võimaldades bakteritel toitaineid "jälitada", "põgeneda" mürgistest kemikaalidest või liikuda valguse poole (mõned bakterid, nn. tsüanobakterid, tuginevad energia fotosünteesile nagu taimed ja vajavad seega regulaarset kokkupuudet valgusega).

Pili (ainsus: pilus), on struktuurilt sarnased lipukestega, kuna need on juuksetaolised projektsioonid, mis ulatuvad bakteriraku pinnast väljapoole. Nende funktsioon on aga erinev. Selle asemel, et aidata liikumisel, aitavad pilid bakteritel kinnituda teiste rakkude ja erinevate koostisega pindade külge, sealhulgas kivimid, teie sooled ja isegi hambaemail. Teisisõnu, nad pakuvad bakteritele "kleepuvust" viisil, kuidas sookurgi iseloomulikud kestad võimaldavad neil organismidel kivimite külge kinnituda. Ilma pilita pole paljud patogeensed (s.t haigusi põhjustavad) bakterid nakkusohtlikud, kuna nad ei saa peremeeskoest kinni pidada. Nimetatud protsessi jaoks kasutatakse spetsiaalset tüüpi pili konjugatsioon, milles kaks bakterit vahetavad osa DNA-st.

Teatud bakterite üsna kuratlik konstrukt on endospoor. Bacillus ja Klostriidium liigid võivad toota neid eoseid, mis on rakkude sees tekkivate normaalsete bakterirakkude kõrge kuumuskindlad, veetustatud ja passiivsed versioonid. Need sisaldavad oma täielikku genoomi ja kõiki metaboolseid ensüüme. Endospoori põhiomadus on selle keeruline kaitsev eoste karvkate. Haiguse botulismi põhjustab a Clostridium botulinum endospoor, mis eritab surmavat ainet, mida nimetatakse endotoksiiniks.

Bakterid toodavad protsessi, mida nimetatakse binaarseks lõhustumiseks, mis tähendab lihtsalt pooleks jagamist ja paari raku loomist, mis on mõlemad geneetiliselt identsed rakkudega. See mittesuguline paljunemisvorm on teravas kontrastis eukarüootide paljunemisega, mis on seksuaalne et see hõlmab kahte emaorganismi, kes panustavad võrdse koguse geneetilise materjali järglased. Ehkki seksuaalne paljunemine pinnal võib tunduda tülikas - milleks ikkagi viia sisse see energeetiliselt kulukas samm, kui rakud saavad selle asemel lihtsalt pooleks minna? - see on geneetilise mitmekesisuse absoluutne kindlus ja selline mitmekesisus on liikide ellujäämiseks hädavajalik.

Mõelge sellele: kui iga inimene oleks geneetiliselt identne või isegi lähedane, eriti ensüümide ja valkude tasandil, mida te ei näe kuid mis täidavad elutähtsaid metaboolseid funktsioone, siis piisaks kõigi bioloogiliste vastaste ühest tüübist, et need kõik hävitada inimkond. Te teate juba, et inimesed erinevad geneetiliselt vastuvõtlikult teatud asjadele, alates peamistest (mõned inimesed võivad surra kokkupuutel allergeenidega, sealhulgas maapähklitega). mesilase mürk) suhteliselt tühisele (mõned inimesed ei suuda suhkrulaktaasi seedida, mistõttu nad ei suuda piimatooteid tarbida ilma seedetrakti tõsiste häireteta) süsteemid). Suurt geneetilist mitmekesisust nautiv liik on suures osas väljasuremise eest kaitstud, sest see mitmekesisus pakub toorainet, millel saab toimida soodne looduslik valikusurve. Kui juhtub, et 10 protsenti konkreetse liigi populatsioonist on immuunne teatud viiruse suhtes, mida liigil pole veel kogetud, on see lihtsalt kiiks. Kui seevastu viirus avaldub selles populatsioonis, ei pruugi kaua aega minna, kui see juhtum esindab 10 protsenti selle liigi ellujäänud organismidest 100 protsenti.

Selle tulemusena on bakterid välja töötanud mitmeid meetodeid geneetilise mitmekesisuse tagamiseks. Need sisaldavad transformatsioon, konjugatsioon ja transduktsioon. Kõik bakterirakud ei saa kõiki neid protsesse ära kasutada, kuid nende vahel võimaldavad nad kõigil bakteriliikidel ellu jääda palju suuremal määral kui muidu.

Transformatsioon on protsess, mille käigus võetakse DNA keskkonnast ja see jaguneb looduslikuks ja kunstlikuks vormiks. Loomulikul transformatsioonil sisestatakse surnud bakteritest pärinev DNA rakumembraani kaudu, puhastades seda ja integreerides ellujäänud bakterite DNA-sse. Kunstlikul muundamisel viivad teadlased sageli tahtlikult DNA peremeesbakterisse E. coli (kuna sellel liigil on väike lihtne genoom, mida on hõlpsasti manipuleeritav), et neid organisme uurida või soovitud bakteriprodukt luua. Tihti on sissetoodud DNA pärit a plasmiid, looduslikult esinev bakteriaalse DNA ring.

Konjugatsioon on protsess, mille käigus üks bakter kasutab pilust või pili, et "süstida" DNA otse teise kontakti kaudu DNA-sse. Edastatud DNA võib nagu ka kunstliku transformatsiooni korral olla plasmiid või see võib olla erinev fragment. Äsja juurutatud DNA võib sisaldada elutähtsat geeni, mis kodeerib antibiootikumiresistentsust võimaldavaid valke.

Lõpuks tugineb transduktsioon sissetungiva viiruse nimele, mida nimetatakse bakteriofaagiks. Viirused toetuvad paljunemisel elusrakkudele, sest kuigi neil on geneetiline materjal, puudub neil selle koopiate valmistamiseks vajalik masinavärk. Need bakteriofaagid paigutavad oma geneetilise materjali nende bakterite DNA-sse, kuhu nad tungivad, ja suunavad neid bakterid, et saada rohkem faage, mille genoomid sisaldavad seejärel segu algsest bakteriaalsest DNA-st ja bakteriofaagi DNA. Kui need uued bakteriofaagid lahkuvad rakust, võivad nad tungida teistesse bakteritesse ja edastada eelmiselt peremehelt saadud DNA uude bakterirakku.