Les cellules sont les unités fondamentales de la vie et, en tant que telles, sont les plus petits éléments distincts des êtres vivants qui conservent tous les éléments clés. propriétés associées aux êtres vivants, y compris le métabolisme, la capacité de se reproduire et un moyen de maintenir équilibre. Les cellules sont soit procaryote, un terme désignant des bactéries et une poignée d'organismes unicellulaires, ou eucaryote, qui fait référence aux plantes, aux champignons et aux animaux.
Les cellules bactériennes et autres cellules procaryotes sont beaucoup plus simples à presque tous égards que leurs homologues eucaryotes. Toutes les cellules comprennent au minimum une membrane plasmique, un cytoplasme et du matériel génétique sous forme d'ADN. Alors que les cellules eucaryotes présentent une grande variété d'éléments au-delà de ces éléments essentiels, ces trois éléments représentent la quasi-totalité des cellules bactériennes. Les cellules bactériennes, cependant, comprennent quelques caractéristiques que les cellules eucaryotes ne comprennent pas, notamment une paroi cellulaire.
Notions de base sur les cellules
Un seul organisme eucaryote peut avoir des milliards de cellules, bien que les levures soient unicellulaires; les cellules bactériennes, d'autre part, n'ont qu'une seule cellule. Alors que les cellules eucaryotes comprennent une variété d'organites liés à la membrane, tels que le noyau, les mitochondries (chez les animaux), les chloroplastes (réponse des plantes aux mitochondries), les corps de Golgi, le réticulum endoplasmique et les lysosomes, les cellules bactériennes n'ont pas organites. Les eucaryotes et les procaryotes comprennent des ribosomes, les minuscules structures responsables de la synthèse des protéines, mais ce sont des généralement plus facilement visualisés chez les eucaryotes parce que beaucoup d'entre eux se regroupent le long de l'endoplasmique linéaire en forme de ruban réticulum.
Il est facile de considérer les cellules bactériennes, et les bactéries elles-mêmes, comme "primitives", en raison à la fois de leur âge évolutif plus élevé (environ 3,5 milliards d'années, vs. environ 1,5 milliard pour les procaryotes) et leur simplicité. Ceci, cependant, est trompeur pour un certain nombre de raisons. La première est que, du simple point de vue de la survie des espèces, plus complexe ne signifie pas nécessairement plus robuste; selon toute vraisemblance, les bactéries en tant que groupe survivront aux humains et aux autres organismes « supérieurs » une fois que les conditions sur Terre auront suffisamment changé. Une deuxième raison est que les cellules bactériennes, bien que simples, ont développé une variété de mécanismes de survie puissants que les eucaryotes n'ont pas.
Une amorce de cellule bactérienne
Les cellules bactériennes se présentent sous trois formes de base: en forme de bâtonnet (les bacilles), rondes (cocci) et en forme de spirale (spirilles). Ces caractéristiques morphologiques des cellules bactériennes peuvent être utiles pour diagnostiquer les maladies infectieuses causées par des bactéries connues. Par exemple, "l'angine streptococcique" est causée par des espèces de Streptocoques, qui, comme son nom l'indique, sont ronds, comme le sont Staphylocoques. La fièvre charbonneuse est causée par un gros bacille et la maladie de Lyme est causée par un spirochète en forme de spirale. En plus des formes variables des cellules individuelles, les cellules bactériennes ont tendance à être trouvées en grappes, dont la structure varie en fonction de l'espèce en question. Certains bâtonnets et coques se développent en longues chaînes, tandis que certains autres coques se trouvent en grappes rappelant quelque peu la forme de cellules individuelles.
Contrairement aux virus, la plupart des cellules bactériennes peuvent vivre indépendamment des autres organismes et ne dépendent pas d'autres êtres vivants pour leurs besoins métaboliques ou reproductifs. Des exceptions existent cependant; certaines espèces de Rickettsiae et Chlamydiae sont obligatoirement intracellulaires, ce qui signifie qu'ils n'ont d'autre choix que d'habiter les cellules des êtres vivants pour survivre.
L'absence de noyau des cellules bactériennes est la raison pour laquelle les cellules procaryotes ont été à l'origine distinguées des cellules eucaryotes, car cette différence est évidente même sous des microscopes de grossissement relativement faible Puissance. L'ADN bactérien, bien qu'il ne soit pas entouré d'une membrane nucléaire comme celle des eucaryotes, a néanmoins tendance à se regrouper étroitement et la formation rugueuse qui en résulte est appelée nucléoïde. Il y a globalement moins d'ADN dans les cellules bactériennes que dans les cellules eucaryotes; si étiré de bout en bout, une seule copie du matériel génétique de l'eucaryote typique, ou chromatine, s'étirerait jusqu'à environ 1 millimètre, alors que celle d'une bactérie s'étendrait sur environ 1 à 2 micromètres, soit 500 à 1 000 fois différence. Le matériel génétique des eucaryotes comprend à la fois l'ADN lui-même et des protéines appelées histones, tandis que l'ADN procaryote contient quelques polyamines (composés azotés) et des ions magnésium qui lui sont associés.
La paroi cellulaire bactérienne
La différence structurelle la plus évidente entre les cellules bactériennes et les autres cellules est peut-être le fait que les bactéries possèdent des parois cellulaires. Ces murs, faits de peptidoglycane molécules, se trouvent juste à l'extérieur de la membrane cellulaire, que les cellules de tous types présentent. Les peptidoglycanes consistent en une combinaison de sucres polysaccharides et de composants protéiques; leur travail principal est d'ajouter protection et rigidité aux bactéries et d'offrir un point d'ancrage pour des structures telles que pili et flagelles, qui proviennent de la membrane cellulaire et s'étendent à travers la paroi cellulaire jusqu'à l'environnement externe.
Si vous étiez un microbiologiste opérant dans un siècle passé et que vous vouliez créer un médicament qui serait dangereux pour les cellules bactériennes tout en étant généralement inoffensif pour les cellules humaines, et que vous connaissiez les structures respectives de la composition cellulaire de ces organismes, vous pouvez y parvenir en concevant ou en trouvant des substances toxiques pour les parois cellulaires tout en épargnant d'autres cellules Composants. En fait, c'est précisément ainsi que fonctionnent de nombreux antibiotiques: ils ciblent et détruisent les parois cellulaires des bactéries, tuant ainsi les bactéries. Pénicillines, qui a émergé au début des années 1940 comme la première classe d'antibiotiques, agit en inhibant la synthèse des peptidoglycanes qui composent les parois cellulaires de certaines bactéries, mais pas toutes. Ils le font en inactivant une enzyme qui catalyse un processus appelé réticulation chez les bactéries sensibles. Au fil des ans, l'administration d'antibiotiques a sélectionné des bactéries qui produisent des substances appelées bêta-lactamases, qui ciblent les pénicillines « envahissantes ». Ainsi, une « course aux armements » de longue date et sans fin reste en vigueur entre les antibiotiques et leurs minuscules cibles pathogènes.
Flagelles, Pili et endospores
Certaines bactéries présentent des structures externes qui aident les bactéries dans leur navigation dans le monde physique. Par example, flagelles (singulier: flagelle) sont des appendices en forme de fouet qui fournissent un moyen de locomotion pour les bactéries qui les possèdent, semblable à celui des têtards. Parfois, ils se trouvent à une extrémité d'une cellule bactérienne; certaines bactéries en ont aux deux extrémités. Les flagelles « battent » un peu comme une hélice, permettant aux bactéries de « chasser » les nutriments, de « s'échapper » des produits chimiques toxiques ou de se déplacer vers la lumière (certaines bactéries, appelées cyanobactéries, dépendent de la photosynthèse pour l'énergie comme le font les plantes et nécessitent donc une exposition régulière à la lumière).
Pili (singulier: pilus), sont structurellement similaires aux flagelles, car ce sont des projections ressemblant à des cheveux s'étendant vers l'extérieur à partir de la surface des cellules bactériennes. Leur fonction est cependant différente. Plutôt que d'aider à la locomotion, les pili aident les bactéries à se fixer à d'autres cellules et surfaces de diverses compositions, y compris les roches, vos intestins et même l'émail de vos dents. En d'autres termes, ils offrent une « adhérence » aux bactéries de la manière dont les coquilles caractéristiques des balanes permettent à ces organismes d'adhérer aux roches. Sans pili, de nombreuses bactéries pathogènes (c'est-à-dire causant des maladies) ne sont pas infectieuses, car elles ne peuvent pas adhérer aux tissus de l'hôte. Un type spécialisé de pili est utilisé pour un processus appelé conjugaison, dans laquelle deux bactéries échangent des portions d'ADN.
Une construction plutôt diabolique de certaines bactéries sont les endospores. Bacille et Clostridium Les espèces peuvent produire ces spores, qui sont des versions hautement résistantes à la chaleur, déshydratées et inactives des cellules bactériennes normales qui sont créées à l'intérieur des cellules. Ils contiennent leur propre génome complet et toutes les enzymes métaboliques. La caractéristique clé de l'endospore est sa couche protectrice complexe de spores. La maladie du botulisme est causée par une Clostridium botulinum endospore, qui sécrète une substance mortelle appelée endotoxine.
Reproduction bactérienne
Les bactéries produisent par un processus appelé fission binaire, ce qui signifie simplement se diviser en deux et créer une paire de cellules qui sont chacune génétiquement identiques à la cellule mère. Cette forme de reproduction asexuée contraste fortement avec la reproduction des eucaryotes, qui est sexuée en qu'il implique deux organismes parents apportant une quantité égale de matériel génétique pour créer un progéniture. Alors que la reproduction sexuée en surface peut sembler lourde, après tout, pourquoi introduire cette étape énergétiquement coûteuse si les cellules peuvent simplement se diviser en deux? – c'est une garantie absolue de diversité génétique, et ce type de diversité est essentiel à la survie des espèces.
Pensez-y: si chaque être humain était génétiquement identique ou même proche, en particulier au niveau des enzymes et des protéines que vous ne pouvez pas voir mais qui servent des fonctions métaboliques vitales, alors un seul type d'adversaire biologique serait suffisant pour potentiellement anéantir tous les humanité. Vous savez déjà que les humains diffèrent dans leur susceptibilité génétique à certaines choses, des principales (certaines personnes peuvent mourir d'une exposition à de petites expositions à des allergènes, y compris les arachides et le venin d'abeille) au relativement insignifiant (certaines personnes ne peuvent pas digérer le sucre lactase, ce qui les rend incapables de consommer des produits laitiers sans perturber gravement leur système gastro-intestinal systèmes). Une espèce qui bénéficie d'une grande diversité génétique est largement protégée de l'extinction, car cette diversité offre la matière première sur laquelle peuvent agir des pressions de sélection naturelle favorables. Si 10 pour cent de la population d'une espèce donnée sont immunisés contre un certain virus que l'espèce n'a pas encore connu, il s'agit d'une simple bizarrerie. Si, d'un autre côté, le virus se manifeste dans cette population, il ne faudra peut-être pas longtemps avant que ce hasard 10 pour cent représente 100 pour cent des organismes survivants dans cette espèce.
En conséquence, les bactéries ont développé un certain nombre de méthodes pour assurer la diversité génétique. Ceux-ci inclus transformation, conjugaison et transduction. Toutes les cellules bactériennes ne peuvent pas utiliser tous ces processus, mais entre elles, elles permettent à toutes les espèces bactériennes de survivre beaucoup plus qu'elles ne le feraient autrement.
La transformation est le processus d'absorption de l'ADN de l'environnement, et il est divisé en formes naturelles et artificielles. Lors de la transformation naturelle, l'ADN des bactéries mortes est internalisé via la membrane cellulaire, à la manière d'un charognard, et incorporé dans l'ADN des bactéries survivantes. Dans la transformation artificielle, les scientifiques introduisent intentionnellement de l'ADN dans une bactérie hôte, souvent E. coli (car cette espèce a un petit génome simple qui est facilement manipulable) afin d'étudier ces organismes ou de créer un produit bactérien souhaité. Souvent, l'ADN introduit provient d'un plasmide, un anneau naturel d'ADN bactérien.
La conjugaison est le processus par lequel une bactérie utilise un pilus ou des pili pour « injecter » de l'ADN dans une deuxième bactérie par contact direct. L'ADN transmis peut, comme pour la transformation artificielle, être un plasmide ou il peut s'agir d'un fragment différent. L'ADN nouvellement introduit peut inclure un gène vital qui code pour des protéines permettant la résistance aux antibiotiques.
Enfin, la transduction repose sur la présence d'un virus envahissant appelé bactériophage. Les virus dépendent des cellules vivantes pour se répliquer car, bien qu'ils possèdent du matériel génétique, ils n'ont pas la machinerie pour en faire des copies. Ces bactériophages placent leur propre matériel génétique dans l'ADN des bactéries qu'ils envahissent et dirigent la bactéries pour fabriquer plus de phages, dont les génomes contiennent alors un mélange de l'ADN bactérien d'origine et de la ADN bactériophage. Lorsque ces nouveaux bactériophages quittent la cellule, ils peuvent envahir d'autres bactéries et transmettre l'ADN acquis de l'hôte précédent dans la nouvelle cellule bactérienne.