A sejtek az élet alapvető egységei, és mint ilyenek az élőlények legkisebb különálló elemei, amelyek megtartják az összes kulcsot az élőlényekhez kapcsolódó tulajdonságok, beleértve az anyagcserét, a szaporodási képességet és a kémiai anyagok fenntartásának eszközét egyensúly. A sejtek is prokarióta, a baktériumokra és az egysejtű organizmusok szennyeződésére utaló kifejezés, vagy eukarióta, amely növényekre, gombákra és állatokra vonatkozik.
A bakteriális és más prokarióta sejtek szinte minden szempontból sokkal egyszerűbbek, mint eukarióta társaik. Az összes sejt tartalmaz legalább egy plazmamembránt, citoplazmát és genetikai anyagot DNS formájában. Míg az eukarióta sejtek ezen alapvető elemeken túl sokféle elemet tartalmaznak, ez a három dolog a baktériumsejtek szinte teljes egészét adja. A baktériumsejtek azonban tartalmaznak néhány olyan tulajdonságot, amelyekre az eukarióta sejtek nem, nevezetesen a sejtfal.
Sejt alapjai
Egyetlen eukarióta szervezetben billió sejt lehet, bár az élesztő egysejtű; a baktériumsejteknek viszont csak egy sejtje van. Mivel az eukarióta sejtek számos membránhoz kötött organellumot tartalmaznak, például a magot, a mitokondriumokat (állatoknál), kloroplasztok (a növények válasza a mitokondriumokra), a Golgi-testek, az endoplazmatikus retikulum és a lizoszómák, a baktériumsejtek nem rendelkeznek sejtszervecskék. Az eukarióták és a prokarióták egyaránt tartalmaznak riboszómákat, a fehérje szintéziséért felelős apró struktúrákat, de ezek általában könnyebben vizualizálható az eukariótákban, mert olyan sokan csoportosulnak a lineáris, szalagszerű endoplazmatikus mentén retikulum.
Nagyobb evolúciós koruknak (kb. 3,5 milliárd év, vs. kb. 1,5 milliárd a prokarióták esetében) és egyszerűségük. Ez azonban számos okból félrevezető. Az egyik az, hogy a fajok túlélésének puszta szempontjából a komplexebb nem feltétlenül jelent robusztusabbat; minden valószínűség szerint a baktériumok mint csoport meghaladja az embereket és más "magasabb" organizmusokat, amint a Föld körülményei kellően megváltoznak. A második ok az, hogy a baktériumsejtek, bár egyszerűek, számos olyan hatékony túlélési mechanizmust fejlesztettek ki, amelyekre az eukarióták nem.
Bakteriális sejt alapozó
A baktériumsejtek három alapvető formában fordulnak elő: rúdszerű (a bacilusok), kerek (cocci) és spirál alakú (spirilli). Ezek a morfológiai baktériumsejtek jellemzői hasznosak lehetnek az ismert baktériumok által okozott fertőző betegségek diagnosztizálásában. Például a "strep torok" okai fajonként Streptococcusok, amelyek, amint a neve is mutatja, kerekek, ahogy vannak Staphylococcusok. Az antraxot egy nagy bacillus okozza, a Lyme-kórt pedig spirochete okozza, amely spirál alakú. Az egyes sejtek változó alakja mellett baktériumsejtek általában klaszterekben találhatók meg, amelyek szerkezete a kérdéses fajtól függően változik. Egyes rudak és kokkok hosszú láncokban nőnek, míg más kokkok olyan fürtökben találhatók, amelyek némileg emlékeztetnek az egyes sejtek alakjára.
A legtöbb baktériumsejt a vírusoktól eltérően más organizmusoktól függetlenül élhet, anyagcsere- vagy szaporodási igényeik miatt nem támaszkodnak más élőlényekre. Kivételek azonban léteznek; egyes fajai Rickettsiae és Chlamydiae kötelezően intracellulárisak, vagyis nincs más lehetőségük, mint az élőlények sejtjeit lakni a túlélés érdekében.
A baktériumsejtek maghiánya az oka annak, hogy a prokarióta sejteket eredetileg megkülönböztették eukarióta sejtek, mivel ez a különbség még viszonylag alacsony nagyítású mikroszkópok alatt is nyilvánvaló erő. Bár a baktériumok DNS-ét nem veszi körül az eukariótákhoz hasonló maghártya, ennek ellenére szorosan összegyűlik, és a kapott durva képződést nukleoidnak nevezik. A baktériumsejtekben összességében lényegesen kevesebb a DNS, mint az eukarióta sejtekben; ha a végétől a végéig nyújtják, a tipikus eukarióta genetikai anyagának vagy a kromatinnak egyetlen példánya kinyúl körülbelül 1 milliméter, míg a baktériumoké 1-2 mikrométerre terjed ki - 500-1000-szeresére különbség. Az eukarióták genetikai anyaga magában foglalja mind a DNS-t, mind a hisztonoknak nevezett fehérjéket, míg a prokarióta DNS-hez kevés poliamin (nitrogénvegyület) és magnéziumion kapcsolódik.
A baktérium sejtfal
Talán a legkézenfekvőbb strukturális különbség a baktériumsejtek és más sejtek között az a tény, hogy a baktériumok rendelkeznek sejtfalakkal. Ezek a falak peptidoglikán molekulák közvetlenül a sejtmembránon kívül helyezkednek el, amely minden típusú sejtre jellemző. A peptidoglikánok poliszacharid-cukrok és fehérjekomponensek kombinációjából állnak; fő feladatuk a baktériumok védelme és merevsége, és rögzítési pontot kínálnak az olyan szerkezetekhez, mint pl pili és flagella, amelyek a sejtmembránból erednek és a sejtfalon keresztül a külső környezetbe nyúlnak.
Ha egy mikrobiológus volt egy múlt században, és olyan gyógyszert akart létrehozni, amely veszélyes a baktériumsejtekre, miközben többnyire ártalmatlan az emberi sejtekre, és ismeri ezeknek az organizmusoknak a sejtösszetételének megfelelő szerkezetét, akkor ezt úgy teheti meg, hogy olyan anyagokat tervez vagy talál, amelyek mérgezőek a sejtfalakra, miközben kímélik más sejteket alkatrészek. Valójában sok antibiotikum pontosan így működik: megcélozzák és elpusztítják a baktériumok sejtfalait, ennek következtében elpusztítják a baktériumokat. Penicillinek, amely az 1940-es évek elején jelent meg az antibiotikumok első osztályaként, gátolja néhány, de nem az összes baktérium sejtfalát alkotó peptidoglikánok szintézisét. Ezt egy olyan enzim inaktiválásával teszik, amely katalizálja a fogékony baktériumok térhálósodásának nevezett folyamatát. Az évek során az antibiotikum-beadás olyan baktériumokat választott ki, amelyek véletlenül olyan béta-laktamázoknak nevezett anyagokat termelnek, amelyek a "betolakodó" penicillineket célozzák meg. Így egy régóta tartó és véget nem érő "fegyverkezési verseny" marad érvényben az antibiotikumok és apró, betegségeket okozó célpontjaik között.
Flagella, Pili és Endospores
Egyes baktériumok olyan külső struktúrákkal rendelkeznek, amelyek segítik a baktériumokat a fizikai világ eligazodásában. Például, flagella (egyes szám: flagellum) ostorszerű függelékek, amelyek az ebihalakhoz hasonlóan mozgásképességet biztosítanak a birtokukban lévő baktériumok számára. Néha egy baktérium sejt egyik végén találhatók; egyes baktériumok mindkét végén vannak. A flagella "úgy ver", mint egy légcsavar, lehetővé téve a baktériumok számára, hogy "üldözzék" a tápanyagokat, "meneküljenek" a mérgező vegyi anyagok elől vagy a fény felé haladjanak (egyes baktériumok, ún. cianobaktériumoktámaszkodnak a fotoszintézisre az energiához hasonlóan, mint a növények, és ezért rendszeres fényterhelést igényelnek).
Pili (egyes szám: pilus), szerkezetileg hasonlóak a flagellához, mivel a baktériumsejt felszínétől kifelé nyúló hajszerű vetületek. Funkciójuk azonban más. Ahelyett, hogy segítené a mozgást, a pili segít abban, hogy a baktériumok más sejtekhez és különböző összetételű felületekhez kapcsolódjanak, beleértve a sziklákat, a beleket és még a fogzománcot is. Más szavakkal, "ragadósságot" kínálnak a baktériumok számára abban az értelemben, ahogyan a pajta jellegzetes héja lehetővé teszi ezen organizmusok tapadását a sziklákon. Pili nélkül sok kórokozó (vagyis betegséget okozó) baktérium nem fertőző, mert nem tudnak megtapadni a gazdaszöveteken. Az úgynevezett folyamathoz speciális típusú pilit használnak konjugáció, amelyben két baktérium kicseréli a DNS egy részét.
Bizonyos baktériumok meglehetősen ördögi konstrukciója endoszpora. Bacilus és Clostridium fajok képesek előállítani ezeket a spórákat, amelyek a sejtek belsejében létrejövő normál baktériumsejtek rendkívül hőálló, dehidratált és inaktív változatai. Saját teljes genomjukat és az összes metabolikus enzimet tartalmazzák. Az endospóra fő jellemzője a komplex védő spórakabát. A betegség botulizmusát a Clostridium botulinum endospóra, amely egy halálos anyagot, az úgynevezett endotoxint választ ki.
Baktériumok szaporodása
A baktériumok a bináris hasadásnak nevezett eljárással termelődnek, ami egyszerűen azt jelenti, hogy kettéválunk, és létrehozunk egy-egy sejtpárt, amelyek mindegyike genetikailag azonos az anyasejttel. Ez az ivartalan reprodukciós forma éles ellentétben áll az eukarióták reprodukciójával, amely nemi eredetű hogy két szülő organizmus vesz részt azonos mennyiségű genetikai anyag létrehozásában egy utódok. Bár a felszínen történő szexuális szaporodás nehézkesnek tűnhet - végül is miért kell bevezetni ezt az energiával költséges lépést, ha a sejtek csak kettéválhatnak? - a genetikai sokféleség abszolút biztosítéka, és ez a fajta sokféleség elengedhetetlen a fajok túléléséhez.
Gondoljon csak bele: Ha minden ember genetikailag azonos vagy akár közel állna egymáshoz, különösen az enzimek és a fehérjék szintjén, akkor nem láthatja de amelyek létfontosságú anyagcserefunkciókat szolgálnak, akkor egyetlen típusú biológiai ellenfél elegendő lenne az összes potenciális kiirtásához emberiség. Ön már tudja, hogy az emberek genetikai érzékenységükben különböznek bizonyos dolgoktól, a főektől (néhány ember meghalhat az allergének, köztük a földimogyoró kis expozíciójának kitettségében) és a méhméreg) viszonylag triviálisig (egyesek nem tudják megemészteni a cukor-laktázt, emiatt képtelenek a tejtermékek rendszerek). Az a faj, amely nagy genetikai sokféleséggel rendelkezik, nagyrészt védett a kihalástól, mert ez a sokféleség kínálja azt az alapanyagot, amelyre a kedvező természetes szelekciós nyomás hat. Ha egy adott faj populációjának 10 százaléka véletlenül immunizált egy bizonyos vírussal szemben, amelyet a faj még nem tapasztalt meg, ez puszta furcsaság. Ha viszont a vírus ebben a populációban nyilvánul meg, akkor nem sokáig lehet, hogy ez a tényállás 10% -kal képviseli a faj túlélő organizmusainak 100% -át.
Ennek eredményeként a baktériumok számos módszert fejlesztettek ki a genetikai sokféleség biztosítására. Ezek tartalmazzák átalakulás, ragozás és transzdukció. Nem minden baktériumsejt képes felhasználni ezeket a folyamatokat, de közöttük minden baktériumfajnak sokkal nagyobb mértékben képes túlélni, mint egyébként.
A transzformáció a DNS környezetből való kinyerésének folyamata, amely természetes és mesterséges formákra oszlik. A természetes átalakulás során az elhalt baktériumokból származó DNS-t a sejtmembránon keresztül internalizálják, és így beépítik a túlélő baktériumok DNS-ébe. A mesterséges átalakítás során a tudósok szándékosan vezetik be a DNS-t egy gazda baktériumba, gyakran E. coli (mivel ennek a fajnak van egy kicsi, egyszerűen manipulálható genomja) ezen szervezetek tanulmányozása vagy egy kívánt baktériumtermék létrehozása érdekében. Gyakran a bevezetett DNS a plazmid, a baktérium DNS természetes előfordulású gyűrűje.
A konjugáció az a folyamat, amelynek során az egyik baktérium pilus vagy pili segítségével közvetlen érintkezés útján "injektálja" a DNS-t egy második baktériumba. Az átvitt DNS, akárcsak a mesterséges transzformáció során, lehet plazmid, vagy lehet más fragmens. Az újonnan bevezetett DNS tartalmazhat egy létfontosságú gént, amely az antibiotikum-rezisztenciát lehetővé tevő fehérjéket kódolja.
Végül a transzdukció egy behatoló vírus jelenlétére épül, amelyet bakteriofágnak neveznek. A vírusok az élő sejtek replikációjára támaszkodnak, mert bár rendelkeznek genetikai anyaggal, hiányzik a gépük a másolatok készítéséhez. Ezek a bakteriofágok saját genetikai anyagukat helyezik az általuk behatolt baktériumok DNS-ébe, és irányítják azokat baktériumok több fág előállításához, amelyek genomjai azután tartalmazzák az eredeti baktérium DNS és a bakteriofág DNS. Amikor ezek az új bakteriofágok elhagyják a sejtet, behatolhatnak más baktériumokba, és az előző gazdaszervezetből nyert DNS-t továbbíthatják az új baktériumsejtbe.