Prokarüootsed rakud: määratlus, struktuur, funktsioon (koos näidetega)

Teadlased usuvad, et prokarüootsed rakud olid ühed esimesed eluvormid Maal. Neid rakke on tänapäevalgi palju ja neid saab jagada bakteriteks ja arheedeks.

Klassikaline näide prokarüootsest rakust on Escherichia coli (E. coli).

Prokarüootsed rakud on keskkooli rakubioloogia valdamisel fundamentaalsed. Lisateavet prokarüootide rakuliste komponentide kohta saate lugeda.

Prokarüoodid kipuvad olema lihtsad, üherakulised, membraaniga seotud organismid organellid või tuum. Eukarüoodid on need struktuurid.

Miljardeid aastaid tagasi võisid prokarüoodid areneda membraaniga seotud orgaanilistest molekulidest, mida nimetatakse protionid. Need võisid olla planeedi esimesed eluvormid.

Prokarüootid saate jagada kaheks domeeniks: Bakterid ja Arheia.

(Pange tähele, et kui kirjutate domeenide kohta, peaksid nimed olema suurtähed. Kahest rühmast üldiselt kirjutades võite need siiski väiketähtedega jätta.)

Mõlemad rühmad koosnevad väikestest üherakulistest organismidest, kuid nende vahel on erinevusi. Bakteritel on peptidoglükaanid

Mõned näited tavalistest bakteritest hõlmavad järgmist E. coli ja Staphylococcus aureus (paremini tuntud kui staph). Soolas elavad halofiilid on arheede näide.

Bakterid on üks kahest domeenist, mis moodustavad prokarüootsed rakud. Nad on mitmekesised eluvormid ja paljunevad binaarse lõhustumise teel.

Neid on kolm põhilist bakteriraku kuju: kokid, batsillid ja spirilla. Kokid on ovaalsed või sfäärilised bakterid, batsillid on vardakujulised ja spirilla spiraalid.

Bakterid mängivad olulist rolli inimeste haigustes ja tervises. Mõni neist mikroobidest meeldib Staphylococcus aureus, võib inimestel põhjustada nakkusi. Siiski on kasulikud teised bakterid, näiteks Lactobacillus acidophilus, mis aitab teie kehal lagundada piimatoodetes leiduvat laktoosi.

Esialgu liigitati iidsete bakterite hulka ja nimetati "arheobakteriteks", ja arheedel on nüüd oma domeen. Paljud arheia liigid on ekstremofiilid ja elada ekstreemsetes tingimustes, näiteks keevates kuumaveeallikates või happelises vees, mida bakterid ei talu.

Mõned näited hõlmavad hüpertermofiile, mis eksisteerivad temperatuuril üle 176 kraadi Fahrenheiti (80 kraadi Celsiuse järgi), ja halofiilid, mis võivad elada soolalahustes, mis jäävad vahemikku 10–30 protsenti. Arheede rakuseinad pakuvad kaitset ja võimaldavad neil elada äärmuslikes keskkondades.

Arheedel on palju erinevaid kuju ja suurusi, mis varieeruvad vardadest spiraalideni. Mõned arheia käitumise aspektid, nagu paljunemine, sarnanevad bakteritega. Kuid teised käitumisviisid, näiteks geeniekspressioon, sarnanevad eukarüootidega.

Prokarüootid võivad paljuneda mitmel viisil. Reproduktsiooni põhiliikide hulka kuuluvad lootustandev, binaarne lõhustumise ja killustatus. Kuigi mõnedel bakteritel on eoste moodustumine, ei peeta seda paljunemiseks, kuna selle protsessi käigus ei ole tekkinud järglasi.

Lootustandev juhtub siis, kui rakk teeb mullina sarnaneva punga. Pung kasvab jätkuvalt, kui see on kinnitatud vanemrakuga. Lõpuks murdub pung vanemrakust.

Binaarne lõhustumise juhtub siis, kui rakk jaguneb kaheks identseks tütarrakuks. Killustatus juhtub siis, kui rakk laguneb väikesteks tükkideks või fragmentideks ja igast tükist saab uus rakk.

Binaarne lõhustumine on prokarüootsetes rakkudes levinud paljunemistüüp. Protsess hõlmab emaraku jagunemist kaheks identseks rakuks. Binaarse lõhustumise esimene samm on DNA kopeerimine. Seejärel liigub uus DNA raku vastassuunas.

Järgmisena hakkab rakk kasvama ja laienema. Lõpuks a vahesein keskel moodustab rõngas ja pigistab raku kaheks tükiks. Tulemuseks on kaks identset lahtrit.

Kui võrrelda binaarset lõhustumist rakkude jagunemisega eukarüootsetes rakkudes, võite märgata mõningaid väikeseid sarnasusi. Näiteks mõlemad mitoos ja binaarne lõhustumine loovad identsed tütarrakud. Mõlemad protsessid hõlmavad ka DNA dubleerimist.

Prokarüootide rakustruktuur võib olla erinev, kuid enamikul organismidel on mitu põhikomponenti. Prokarüootidel on a rakumembraan või plasmamembraan mis toimib nagu kaitsekate. Neil on ka jäik raku sein täiendava toetuse ja kaitse saamiseks.

Prokarüootsetel rakkudel on ribosoomid, mis on valgud moodustavad molekulid. Nende geneetiline materjal on nukleoidne, mis on piirkond, kus DNA elab. DNA täiendavad rõngad plasmiidid hõljuma ümber tsütoplasma. Oluline on märkida, et prokarüootidel puudub tuumamembraan.

Lisaks nendele sisemistele struktuuridele on mõnel prokarüootsel rakul a pilus või flagellum aidata neil liikuda. Piilus on karvane välimine tunnus, samas kui lipuke on vintske väline tunnus. Mõnel prokarüootil nagu bakteril on väljaspool rakuseinu kapsel. Toitainete säilitamine võib samuti erineda, kuid paljud prokarüoodid kasutavad oma tsütoplasmas ladustamisgraanuleid.

Geneetiline teave prokarüootides eksisteerib nukleoidi sees. Erinevalt eukarüootidest pole prokarüootidel membraaniga seotud tuuma. Selle asemel elavad ringikujulised DNA molekulid tsütoplasma piirkonnas. Näiteks on ümmargune bakteriaalne kromosoom üks suur ahel üksikute kromosoomide asemel.

DNA süntees bakterites algab replikatsiooni algatamisega spetsiifilises nukleotiidjärjestuses. Seejärel tekib uute nukleotiidide lisamiseks pikenemine. Seejärel toimub katkestamine pärast uue kromosoomi moodustumist.

Prokarüootides toimub geeniekspressioon teistmoodi. Nii bakterid kui ka arheed võivad transkriptsiooni ja translatsiooni toimuda korraga.

See tähendab, et rakud saavad seda teha aminohapped, mis on valkude ehituskivid igal ajal.

Rakukeseinal prokarüootides on mitu eesmärki. See kaitseb rakku ja pakub tuge. Lisaks aitab see rakul säilitada kuju ja takistab selle lõhkemist. Väljaspool plasmamembraani paiknev rakuseina üldine struktuur on keerulisem kui taimedel.

Bakterites koosneb rakusein peptidoglükaan või mureiin, mis koosneb polüsahhariidahelatest. Kuid rakuseinad erinevad grampositiivsete ja gramnegatiivsete bakterite vahel.

Grampositiivsetel bakteritel on paks rakusein, gramnegatiivsetel aga õhuke. Kuna nende seinad on õhukesed, on gramnegatiivsetel bakteritel lisakiht lipopolüsahhariide.

Antibiootikumid ja muud ravimid võivad sihtida bakterite rakuseinu, kahjustamata inimesi, kuna inimestel pole seda tüüpi seinu rakkudes. Mõnel bakteril tekib antibiootikumiresistentsus ja ravimid lakkavad toimimast.

Antibiootikumiresistentsus tekib siis, kui bakterid arenevad, ja need, kellel on mutatsioone, mis võimaldavad neil ravimitest ellu jääda, suudavad paljuneda.

Toitainete säilitamine on prokarüootide jaoks oluline, kuna mõned neist eksisteerivad keskkonnas, mis raskendab järjepidevate toiduvarude olemasolu. Prokarüootidel on toitainete säilitamiseks välja töötatud spetsiifilised struktuurid.

Vacuoles toimivad toidu või toitainete säilitamise mullidena. Bakteritel võib ka olla kaasamised, mis on glükogeeni või tärkliste varude hoidmise struktuurid. Mikrokambrid prokarüootides on valgukestad ja neisse mahuvad ensüümid või valgud. On olemas spetsiaalseid mikrokambrite tüüpe nagu magnetosoomid ja karboksüsoomid.

Antibiootikumiresistentsuse pärast on kogu maailmas mure üha suurem. Antibiootikumiresistentsus tekib siis, kui bakterid on võimelised arenema ega reageeri enam ravimitele, mis neid varem hävitasid. See tähendab, et inimesed, kes võtavad antibiootikumi, ei suuda oma kehas olevaid baktereid hävitada.

Looduslik valik soodustab bakterite resistentsust. Näiteks on mõnel bakteril juhuslikud mutatsioonid, mis võimaldavad neil antibiootikumidele vastu seista. Ravimi võtmisel ei toimi see nende resistentsete bakterite puhul. Järgmisena võivad need bakterid kasvada ja paljuneda.

Samuti võivad nad anda oma resistentsuse teiste bakterite suhtes, jagades geene, luues raskesti ravitavaid superputukaid. Metitsilliiniresistentne Staphylococcus aureus (MRSA) on näide superbugist, mis on antibiootikumide suhtes vastupidav.

DNA replikatsioon esineb prokarüootides kiiremini kui eukarüootides, seega saavad bakterid paljuneda palju kiiremini kui inimesed. Kontrollpunktide puudumine replikatsiooni ajal bakterites võrreldes eukarüootidega võimaldab ka juhuslikke mutatsioone. Kõik need tegurid aitavad kaasa antibiootikumiresistentsusele.

Kuigi bakterid põhjustavad sageli inimeste haigusi, on inimestel ka mõne mikroobiga sümbiootilised suhted. Kasulikud bakterid on olulised naha, suu ja seedetrakti tervisele.

Näiteks, Bifidobakterid ela oma soolestikus ja aitab sul toitu lagundada. Need on tervisliku soolestiku olulised osad.

Prebiootikumid on toidud, mis aitavad teie soolestiku mikrofloorat. Mõned levinumad näited hõlmavad küüslauku, sibulat, porrulauku, banaani, võilillerohelist ja sparglit. Prebiootikumid pakuvad kiudaineid ja toitaineid, mida kasulikud soolebakterid peavad kasvama.

Teiselt poolt on probiootikumid elusad bakterid, mis võivad teie seedimist aidata. Probiootilisi organisme leiate ka sellistest toiduainetest nagu jogurt või kimchi.

Prokarüootides on kolm peamist geenisiirde tüüpi: transduktsioon, konjugatsioon ja transformatsioon. Transduktsioon on horisontaalne geeniülekanne, mis toimub siis, kui viirus aitab DNA liikuda ühelt bakterilt teisele.

Konjugatsioon hõlmab mikroobide ajutist liitmist DNA ülekandmiseks. See protsess hõlmab tavaliselt pilust. Transformatsioon toimub siis, kui prokarüoot võtab oma keskkonnast DNA tükke.

Geenisiire on haiguse jaoks oluline, kuna see võimaldab mikroobidel jagada DNA-d ja muutuda ravimite suhtes resistentseks. Näiteks võivad antibiootikumide suhtes resistentsed bakterid jagada geene teiste bakteritega. Teil võib tekkida geenisiiret mikroobide vahel oma teadustundides, eriti kolledžite laborites, kuna see on teadusuuringute jaoks oluline.

Ainevahetus prokarüootides varieerub rohkem kui see, mida leiate eukarüootidest. See võimaldab prokarüootidel nagu ekstremofiilidel elada äärmuslikes keskkondades. Mõned organismid kasutavad fotosünteesi, kuid teised saavad energiat anorgaanilisest kütusest.

Prokarüootide hulka saab liigitada autotroofid ja heterotroofid. Autotroofid saavad süsinikdioksiidist süsinikdioksiidi ja teevad ise orgaanilist toitu anorgaanilistest materjalidest, kuid heterotroofid saavad süsinikku teistest elusolenditest ega saa ise orgaanilist toitu valmistada.

Peamised autotroofide tüübid on fototroofid, litotroofid ja organotroofid. Fototroofid kasutavad fotosünteesi energia saamiseks ja kütuse valmistamiseks. Kuid mitte kõik neist ei tekita protsessi käigus hapnikku nagu taimerakud.

Tsüanobakterid on fototroofide näide. Litotroofid kasutavad toiduna anorgaanilisi molekule ja lähtuvad tavaliselt kivimitest. Kuid litotroofid ei saa kivimitest süsinikku, seega vajavad nad õhku või muid aineid, millel on see element. Organotroofid kasutavad toitainete saamiseks orgaanilisi ühendeid.

Prokarüootid ja eukarüoodid ei ole ühesugused, kuna nende rakutüübid erinevad suuresti. Prokarüootidel pole membraaniga seotud organelle ja tuuma, mille leiate eukarüootidest; nende DNA hõljub tsütoplasmas.

Lisaks on prokarüootidel eukarüootidega võrreldes väiksem pind. Pealegi on prokarüootid üherakulised, hoolimata sellest, et mõned organismid suudavad agregeeruda kolooniate moodustamiseks.

Prokarüootsed rakud on vähem organiseeritud kui eukarüootsed rakud. Samuti on prokarüootides erinev regulatsiooni tase, näiteks rakkude kasv. Seda näete bakterite mutatsioonimäärades, kuna vähem regulatsioone võimaldab kiireid mutatsioone ja paljunemist.

Kuna prokarüootidel pole organelle, on nende ainevahetus erinev ja vähem efektiivne. See takistab nende suureks kasvamist ja mõnikord piirab nende paljunemisvõimet. Sellegipoolest on prokarüootid kõigi ökosüsteemide oluline osa. Inimeste tervisest teaduslike uuringuteni on need väikesed organismid olulised ja võivad teid väga mõjutada.