Stanice su temeljne jedinice života i kao takve su najmanji različiti elementi živih bića koji zadržavaju sve ključne svojstva povezana sa živim bićima, uključujući metabolizam, sposobnost razmnožavanja i sredstvo za održavanje kemikalija ravnoteža. Stanice su bilo prokariotski, izraz koji se odnosi na bakterije i nagomilavanje jednostaničnih organizama, ili eukariotski, koji se odnosi na biljke, gljive i životinje.
Bakterijske i druge prokariotske stanice daleko su jednostavnije u gotovo svakom pogledu od svojih eukariotskih kolega. Sve stanice najmanje uključuju plazemsku membranu, citoplazmu i genetski materijal u obliku DNA. Iako eukariotske stanice imaju širok spektar elemenata izvan ovih osnovnih stvari, ove tri stvari čine gotovo cijelu bakterijsku stanicu. Međutim, bakterijske stanice sadrže nekoliko svojstava koja eukariotske stanice ne, a ponajviše stanični zid.
Osnove stanica
Pojedini eukariotski organizam može imati bilijune stanica, iako su kvasci jednoćelijski; bakterijske stanice, s druge strane, imaju samo jednu stanicu. Dok eukariotske stanice uključuju niz membrana vezanih organela, poput jezgre, mitohondrija (kod životinja), kloroplasti (biljni odgovor na mitohondrije), Golgijeva tijela, endoplazmatski retikulum i lizosomi, bakterijske stanice nemaju organele. I eukarioti i prokarioti uključuju ribosome, sićušne strukture odgovorne za sintezu proteina, ali to su obično je lakše vizualizirati u eukariota jer se toliko njih skuplja duž linearne endoplazmatske trake nalik vrpci retikulum.
Lako je bakterijske stanice i same bakterije smatrati "primitivnima", zahvaljujući i njihovoj većoj evolucijskoj dobi (oko 3,5 milijardi godina, vs. oko 1,5 milijardi za prokariote) i njihova jednostavnost. To, međutim, zavarava iz više razloga. Jedno je da, s pukog stajališta preživljavanja vrsta, složeniji ne mora nužno značiti i robusniji; po svoj prilici, bakterije će kao skupina nadživjeti ljude i druge "više" organizme kad se uvjeti na Zemlji dovoljno promijene. Drugi razlog je taj što su bakterijske stanice, iako jednostavne, razvile niz snažnih mehanizama preživljavanja koje eukarioti nisu.
Primer bakterijskih stanica
Bakterijske stanice dolaze u tri osnovna oblika: šipkasti (bacili), okrugli (koki) i spiralni (spirilli). Ove morfološke karakteristike bakterijskih stanica mogu biti korisne u dijagnosticiranju zaraznih bolesti uzrokovanih poznatim bakterijama. Na primjer, "strep grlo" uzrokuje vrsta Streptokoki, koji su, kao što naziv govori, okrugli, kao i Stafilokoki. Antraks uzrokuje veliki bacil, a lajmsku bolest spiroheta, koja je spiralnog oblika. Uz različite oblike pojedinih stanica, bakterijske stanice imaju tendenciju nalaziti se u nakupinama čija struktura varira ovisno o dotičnoj vrsti. Neke šipke i koki rastu u dugim lancima, dok se neki drugi koki nalaze u nakupinama koje pomalo podsjećaju na oblik pojedinih stanica.
Većina bakterijskih stanica može, za razliku od virusa, živjeti neovisno o drugim organizmima i ne oslanja se na druga živa bića za metaboličke ili reproduktivne potrebe. Iznimke, međutim, postoje; neke vrste Rickettsiae i Klamidije su obvezno unutarćelijski, što znači da im ne preostaje ništa drugo nego da nastane stanice živih bića da bi preživjeli.
Nedostatak jezgre bakterijskih stanica razlog je zbog kojeg su se prokariotske stanice izvorno razlikovale eukariotske stanice, jer je ta razlika vidljiva čak i pod mikroskopima razmjerno malog povećanja vlast. DNA bakterija, iako nije okružena nuklearnom membranom poput eukariota, ipak se usko klasterizira, a rezultirajuća gruba formacija naziva se nukleoid. Ukupno je u bakterijskim stanicama znatno manje DNA nego u eukariotskim stanicama; ako se razvuče od kraja do kraja, jedna kopija genetskog materijala tipičnog eukariota ili kromatina protegla bi se do oko 1 milimetar, dok bi se kod bakterija protezao na oko 1 do 2 mikrometra - 500 do 1000 puta razlika. Genetski materijal eukariota uključuje i samu DNA i proteine koji se nazivaju histoni, dok prokariotska DNA ima nekoliko poliamina (dušikovih spojeva) i magnezijevih iona povezanih s njom.
Zid bakterijskih stanica
Možda najočitija strukturna razlika između bakterijskih stanica i drugih stanica je činjenica da bakterije posjeduju stanične stijenke. Ovi zidovi, izrađeni od peptidoglikan molekule, leže neposredno ispred stanične membrane, koju imaju stanice svih vrsta. Peptidoglikani se sastoje od kombinacije polisaharidnih šećera i proteinskih komponenata; njihov je glavni posao dodati bakteriji zaštitu i krutost te ponuditi točku sidrenja za strukture kao što su pili i bičevi, koji potječu iz stanične membrane i protežu se kroz staničnu stijenku do vanjskog okruženja.
Ako ste mikrobiolog koji je djelovao u prošlom stoljeću i želite stvoriti lijek koji bi bio opasan za bakterijske stanice, a uglavnom neškodljiv za ljudske stanice, i imali biste znanje o odgovarajućih struktura staničnog sastava ovih organizama, to biste mogli postići dizajniranjem ili pronalaženjem tvari koje su toksične za stanične stijenke, a štede druge stanice komponente. Zapravo, upravo tako djeluje puno antibiotika: Oni ciljaju i uništavaju stanične stijenke bakterija, što kao rezultat ubija bakterije. Penicilini, koji su se pojavili početkom 1940-ih kao prva klasa antibiotika, djelujući tako da inhibiraju sintezu peptidoglikana koji čine stanične stijenke nekih, ali ne svih bakterija. To čine inaktivacijom enzima koji katalizira proces nazvan umrežavanje kod osjetljivih bakterija. Tijekom godina, administracija antibioticima odabirala je bakterije koje slučajno proizvode tvari zvane beta-laktamaze, koje ciljaju na "invazivne" peniciline. Stoga dugotrajna i beskrajna "utrka u naoružanju" ostaje na snazi između antibiotika i njihovih sićušnih meta koje uzrokuju bolesti.
Bičevi, Pili i endospore
Neke bakterije imaju vanjske strukture koje pomažu bakterijama u njihovoj navigaciji fizičkim svijetom. Na primjer, bičevi (jednina: flagellum) su dodaci poput biča koji pružaju sredstvo za kretanje bakterija koje ih posjeduju, slično kao punoglavci. Ponekad se nalaze na jednom kraju bakterijske stanice; neke ih bakterije imaju na oba kraja. Bičevi "tuku" slično kao i propeler, dopuštajući bakterijama da "jure" hranjive tvari, "bježe" od otrovnih kemikalija ili se kreću prema svjetlosti (neke bakterije, tzv. cijanobakterija, oslonite se na fotosintezu za energiju kao što to čine biljke i zato zahtijevaju redovito izlaganje svjetlu).
Pili (u jednini: pilus), strukturno su slične bičevima, jer su izbočine poput dlaka koje se protežu prema van od površine bakterijskih stanica. Njihova je funkcija, međutim, različita. Umjesto da pomažu u kretanju, pili pomažu bakterijama da se prikače na druge stanice i površine različitih sastava, uključujući stijene, crijeva, pa čak i caklinu zuba. Drugim riječima, oni nude "ljepljivost" za bakterije na način na koji karakteristične ljuske školjki omogućuju tim organizmima da se lijepe za stijene. Bez pilija, mnoge patogene (tj. Bakterije koje uzrokuju bolesti) nisu zarazne, jer se ne mogu pridržavati tkiva domaćina. Specijalizirana vrsta pilija koristi se za postupak tzv konjugacija, u kojem dvije bakterije razmjenjuju dijelove DNA.
Prilično đavolski konstrukt određenih bakterija su endospore. Bacil i Clostridium vrste mogu proizvesti ove spore, koje su visoko otporne na toplinu, dehidrirane i neaktivne verzije normalnih bakterijskih stanica koje su stvorene unutar stanica. Sadrže svoj vlastiti cjeloviti genom i sve metaboličke enzime. Ključna značajka endospore je složena zaštitna ovojnica od spora. Botulizam je uzrokovan a Clostridium botulinum endospora, koja luči smrtonosnu tvar koja se naziva endotoksin.
Razmnožavanje bakterija
Bakterije nastaju postupkom koji se naziva binarna fisija, što jednostavno znači razdvajanje na pola i stvaranje para stanica koje su svaka genetski identične matičnoj stanici. Ovaj nespolni oblik razmnožavanja u oštro je kontrastu s razmnožavanjem eukariota, koje je spolno u da uključuje dva roditeljska organizma koja daju jednaku količinu genetskog materijala da bi stvorili potomstvo. Iako se spolno razmnožavanje na površini može činiti glomaznim - uostalom, zašto uvoditi ovaj energetski skup korak ako se stanice umjesto toga mogu jednostavno podijeliti na pola? - to je apsolutno osiguranje genetske raznolikosti, a ova vrsta raznolikosti bitna je za preživljavanje vrsta.
Razmislite o tome: Da je svako ljudsko biće genetski identično ili čak blisko, posebno na razini enzima i proteina koje ne možete vidjeti ali koji služe vitalnim metaboličkim funkcijama, tada bi jedan tip biološkog protivnika bio dovoljan da bi mogao sve uništiti čovječanstvo. Već znate da se ljudi razlikuju u svojoj genetskoj osjetljivosti na neke stvari, od glavnih (neki ljudi mogu umrijeti od izlaganja maloj izloženosti alergenima, uključujući kikiriki i pčelinji otrov) na relativno trivijalnu (neki ljudi ne mogu probaviti šećernu laktazu, zbog čega ne mogu konzumirati mliječne proizvode bez ozbiljnih poremećaja u radu gastrointestinalnog trakta sustavi). Vrste koje uživaju veliku genetsku raznolikost u velikoj su mjeri zaštićene od izumiranja, jer ta raznolikost nudi sirovinu na koju mogu djelovati povoljni prirodni selekcijski pritisci. Ako se dogodi da je 10 posto populacije dane vrste imuno na određeni virus koji vrsta tek treba doživjeti, to je puka neobičnost. Ako se, pak, virus manifestira u ovoj populaciji, možda neće proći mnogo vremena prije nego što se ova slučajnost dogodi da 10 posto predstavlja 100 posto preživjelih organizama ove vrste.
Kao rezultat toga, bakterije su razvile niz metoda za osiguravanje genetske raznolikosti. Tu spadaju transformacija, konjugacija i transdukcija. Ne mogu sve bakterijske stanice iskoristiti sve ove procese, ali između njih omogućuju preživljavanje svih bakterijskih vrsta u daleko većoj mjeri nego što bi inače.
Transformacija je postupak uzimanja DNA iz okoline, a ona se dijeli na prirodne i umjetne oblike. U prirodnoj transformaciji, DNA iz mrtvih bakterija internalizira se kroz staničnu membranu, u obliku čistača, i ugrađuje u DNA preživjelih bakterija. U umjetnoj transformaciji znanstvenici često namjerno uvode DNA u bakteriju domaćina E. coli (jer ova vrsta ima mali, jednostavni genom kojim se lako manipulira) kako bi se proučili ti organizmi ili stvorio željeni bakterijski proizvod. Često je uvedena DNA iz a plazmid, prirodni prsten bakterijske DNA.
Konjugacija je postupak kojim jedna bakterija koristi pilus ili pili za "ubrizgavanje" DNA u drugu bakteriju izravnim kontaktom. Prenesena DNA može, kao i kod umjetne transformacije, biti plazmid ili može biti drugačiji fragment. Novouvedena DNA može sadržavati vitalni gen koji kodira proteine omogućujući rezistenciju na antibiotike.
Konačno, transdukcija se oslanja na prisutnost virusa koji se naziva bakteriofag. Virusi se oslanjaju na žive stanice da se repliciraju jer, iako posjeduju genetski materijal, nedostaje im mašina za njegovo kopiranje. Ti bakteriofagi stavljaju vlastiti genetski materijal u DNK bakterija koje napadaju i usmjeravaju ih bakterija kako bi stvorili više faga, čiji genomi tada sadrže mješavinu izvorne bakterijske DNA i DNA bakteriofaga. Kad ti novi bakteriofagi napuste stanicu, mogu napasti druge bakterije i prenijeti DNA stečenu od prethodnog domaćina u novu bakterijsku stanicu.