Le cellule sono le unità fondamentali della vita, e come tali sono i più piccoli elementi distinti degli esseri viventi che conservano tutta la chiave proprietà associate agli esseri viventi, compreso il metabolismo, la capacità di riprodursi e un mezzo per mantenere le sostanze chimiche equilibrio. Le cellule sono o procariote, un termine che si riferisce a batteri e un'infarinatura di organismi unicellulari, o eucariotico, che si riferisce a piante, funghi e animali.
Le cellule batteriche e altre cellule procariotiche sono molto più semplici in quasi tutti i modi rispetto alle loro controparti eucariotiche. Tutte le cellule includono almeno una membrana plasmatica, citoplasma e materiale genetico sotto forma di DNA. Mentre le cellule eucariotiche presentano un'ampia varietà di elementi oltre a questi elementi essenziali, queste tre cose rappresentano quasi la totalità delle cellule batteriche. Le cellule batteriche, tuttavia, includono alcune caratteristiche che le cellule eucariotiche no, in particolare una parete cellulare.
Nozioni di base sulle celle
Un singolo organismo eucariotico può avere trilioni di cellule, sebbene i lieviti siano unicellulari; le cellule batteriche, invece, hanno una sola cellula. Considerando che le cellule eucariotiche includono una varietà di organelli legati alla membrana, come il nucleo, i mitocondri (negli animali), cloroplasti (risposta delle piante ai mitocondri), corpi di Golgi, reticolo endoplasmatico e lisosomi, le cellule batteriche non hanno organelli. Sia gli eucarioti che i procarioti includono i ribosomi, le minuscole strutture responsabili della sintesi proteica, ma questi sono tipicamente più facilmente visualizzabile negli eucarioti perché molti di loro si raggruppano lungo l'endoplasma lineare, simile a un nastro reticolo.
È facile considerare le cellule batteriche, e gli stessi batteri, come "primitivi", a causa sia della loro maggiore età evolutiva (circa 3,5 miliardi di anni, vs. circa 1,5 miliardi per i procarioti) e la loro semplicità. Questo, tuttavia, è fuorviante per una serie di motivi. Uno è che, dal punto di vista della sopravvivenza della specie, più complesso non significa necessariamente più robusto; con ogni probabilità, i batteri come gruppo sopravviveranno agli umani e ad altri organismi "superiori" una volta che le condizioni sulla Terra cambieranno a sufficienza. Una seconda ragione è che le cellule batteriche, sebbene semplici, hanno sviluppato una varietà di potenti meccanismi di sopravvivenza che gli eucarioti non hanno.
Un primer per cellule batteriche
Le cellule batteriche hanno tre forme fondamentali: a forma di bastoncino (i bacilli), rotonde (cocchi) e a forma di spirale (spirilli). Queste caratteristiche morfologiche delle cellule batteriche possono essere utili nella diagnosi di malattie infettive causate da batteri noti. Ad esempio, "mal di gola" è causato da specie di Streptococchi, che, come suggerisce il nome, sono rotondi, come lo sono stafilococchi. L'antrace è causato da un grande bacillo e la malattia di Lyme è causata da una spirocheta, che è a forma di spirale. Oltre alle diverse forme delle singole cellule, le cellule batteriche tendono a trovarsi in cluster, la cui struttura varia a seconda della specie in questione. Alcuni bastoncelli e cocchi crescono in lunghe catene, mentre alcuni altri cocchi si trovano in gruppi che ricordano in qualche modo la forma delle singole cellule.
La maggior parte delle cellule batteriche può, a differenza dei virus, vivere indipendentemente da altri organismi e non dipende da altri esseri viventi per esigenze metaboliche o riproduttive. Esistono tuttavia eccezioni; alcune specie di Rickettsie e Clamidia sono obbligatoriamente intracellulari, il che significa che non hanno altra scelta che abitare le cellule degli esseri viventi per sopravvivere.
La mancanza di un nucleo delle cellule batteriche è la ragione per cui le cellule procariotiche erano originariamente distinte da cellule eucariotiche, poiché questa differenza è evidente anche sotto i microscopi di ingrandimento relativamente basso energia. Il DNA batterico, pur non essendo circondato da una membrana nucleare come quella degli eucarioti, tende tuttavia a raggrupparsi strettamente, e la formazione ruvida risultante è chiamata nucleoide. C'è molto meno DNA in generale nelle cellule batteriche che nelle cellule eucariotiche; se allungato da un capo all'altro, una singola copia del tipico materiale genetico degli eucariroti, o cromatina, si estenderebbe a circa 1 millimetro, mentre quello di un batterio si estenderebbe da circa 1 a 2 micrometri, da 500 a 1.000 volte differenza. Il materiale genetico degli eucarioti include sia il DNA stesso che proteine chiamate istoni, mentre il DNA procariotico ha poche poliammine (composti dell'azoto) e ioni magnesio ad esso associati.
La parete cellulare batterica
Forse la differenza strutturale più ovvia tra le cellule batteriche e le altre cellule è il fatto che i batteri possiedono pareti cellulari. Queste pareti, fatte di peptidoglicano molecole, si trovano appena al di fuori della membrana cellulare, che caratterizzano le cellule di tutti i tipi. I peptidoglicani sono costituiti da una combinazione di zuccheri polisaccaridi e componenti proteici; il loro compito principale è quello di aggiungere protezione e rigidità ai batteri e offrire un punto di ancoraggio per strutture come pili e flagelli, che hanno origine nella membrana cellulare e si estendono attraverso la parete cellulare fino all'ambiente esterno.
Se tu fossi un microbiologo operante in un secolo passato e volessi creare un farmaco che sarebbe pericoloso per le cellule batteriche mentre per lo più innocuo per le cellule umane e avessi conoscenza di le rispettive strutture della composizione cellulare di questi organismi, potresti procedere progettando o trovando sostanze tossiche per le pareti cellulari risparmiando altre cellule componenti. In effetti, è proprio così che funzionano molti antibiotici: prendono di mira e distruggono le pareti cellulari dei batteri, uccidendo di conseguenza i batteri. penicilline, emerso all'inizio degli anni '40 come la prima classe di antibiotici, agisce inibendo la sintesi dei peptidoglicani che costituiscono le pareti cellulari di alcuni, ma non tutti, i batteri. Lo fanno inattivando un enzima che catalizza un processo chiamato cross-linking nei batteri sensibili. Nel corso degli anni, la somministrazione di antibiotici ha selezionato i batteri che producono sostanze chiamate beta-lattamasi, che prendono di mira le penicilline "invasori". Così rimane in atto una "corsa agli armamenti" di lunga data e senza fine tra gli antibiotici e i loro piccoli bersagli che causano malattie.
Flagelli, Pili ed Endospore
Alcuni batteri presentano strutture esterne che aiutano i batteri nella loro navigazione nel mondo fisico. Per esempio, flagelli (singolare: flagello) sono appendici simili a fruste che forniscono un mezzo di locomozione per i batteri che le possiedono, simile a quello dei girini. A volte si trovano a un'estremità di una cellula batterica; alcuni batteri li hanno ad entrambe le estremità. I flagelli "battono" come fa un'elica, permettendo ai batteri di "inseguire" i nutrienti, "fuggire" da sostanze chimiche tossiche o spostarsi verso la luce (alcuni batteri, chiamati cianobatteri, si affidano alla fotosintesi per produrre energia come fanno le piante e quindi richiedono un'esposizione regolare alla luce).
Pili (singolare: pilus), sono strutturalmente simili ai flagelli, poiché sono proiezioni simili a peli che si estendono verso l'esterno dalla superficie della cellula batterica. La loro funzione, però, è diversa. Piuttosto che aiutare nella locomozione, i pili aiutano i batteri ad attaccarsi ad altre cellule e superfici di varia composizione, comprese le rocce, l'intestino e persino lo smalto dei denti. In altre parole, offrono "appiccicosità" ai batteri nel modo in cui i caratteristici gusci dei cirripedi consentono a questi organismi di aderire alle rocce. Senza pili, molti batteri patogeni (cioè che causano malattie) non sono infettivi, perché non possono aderire ai tessuti ospiti. Un tipo specializzato di pili viene utilizzato per un processo chiamato coniugazione, in cui due batteri si scambiano porzioni di DNA.
Un costrutto piuttosto diabolico di alcuni batteri sono le endospore. Bacillo e Clostridio specie possono produrre queste spore, che sono versioni altamente resistenti al calore, disidratate e inattive delle normali cellule batteriche che vengono create all'interno delle cellule. Contengono il proprio genoma completo e tutti gli enzimi metabolici. La caratteristica chiave dell'endospora è il suo complesso rivestimento protettivo di spore. La malattia botulismo è causata da a Clostridium botulinum endospore, che secerne una sostanza mortale chiamata endotossina.
Riproduzione batterica
I batteri si producono mediante un processo chiamato fissione binaria, che significa semplicemente dividersi a metà e creare una coppia di cellule geneticamente identiche alla cellula madre. Questa forma di riproduzione asessuale è in netto contrasto con la riproduzione degli eucarioti, che è sessuale in che coinvolge due organismi genitori che contribuiscono con una quantità uguale di materiale genetico per creare un create prole. Mentre la riproduzione sessuale in superficie può sembrare ingombrante, dopo tutto, perché introdurre questo passaggio energeticamente costoso se le cellule possono semplicemente dividersi a metà? – è un'assoluta garanzia della diversità genetica, e questo tipo di diversità è essenziale per la sopravvivenza delle specie.
Pensaci: se ogni essere umano fosse geneticamente identico o addirittura vicino, soprattutto a livello di enzimi e proteine che non puoi vedere ma che servono funzioni metaboliche vitali, allora un solo tipo di avversario biologico sarebbe sufficiente per spazzar via potenzialmente tutto umanità. Sai già che gli esseri umani differiscono nella loro suscettibilità genetica a determinate cose, dalle principali (alcune persone possono morire per l'esposizione a piccole esposizioni agli allergeni, comprese le arachidi e veleno d'api) al relativamente banale (alcune persone non possono digerire la lattasi dello zucchero, rendendole incapaci di consumare latticini senza gravi interruzioni del loro apparato gastrointestinale sistemi). Una specie che gode di una grande diversità genetica è in gran parte protetta dall'estinzione, perché questa diversità offre la materia prima su cui possono agire le pressioni selettive naturali favorevoli. Se il 10% della popolazione di una data specie risulta essere immune a un determinato virus che la specie deve ancora sperimentare, si tratta di una semplice stranezza. Se, d'altra parte, il virus si manifesta in questa popolazione, potrebbe non passare molto tempo prima che questo caso il 10% rappresenti il 100% degli organismi sopravvissuti in questa specie.
Di conseguenza, i batteri hanno sviluppato una serie di metodi per garantire la diversità genetica. Questi includono trasformazione, coniugazione e trasduzione. Non tutte le cellule batteriche possono utilizzare tutti questi processi, ma insieme consentono a tutte le specie batteriche di sopravvivere in misura molto maggiore di quanto farebbero altrimenti.
La trasformazione è il processo di acquisizione del DNA dall'ambiente, ed è diviso in forme naturali e artificiali. Nella trasformazione naturale, il DNA dei batteri morti viene interiorizzato attraverso la membrana cellulare, in stile scavenger, e incorporato nel DNA dei batteri sopravvissuti. Nella trasformazione artificiale, gli scienziati introducono intenzionalmente il DNA in un batterio ospite, spesso e. coli (perché questa specie ha un genoma piccolo e semplice che è facilmente manipolabile) per studiare questi organismi o creare un prodotto batterico desiderato. Spesso, il DNA introdotto proviene da a plasmide, un anello naturale di DNA batterico.
La coniugazione è il processo mediante il quale un batterio utilizza un pilus o pili per "iniettare" il DNA in un secondo batterio tramite contatto diretto. Il DNA trasmesso può, come con la trasformazione artificiale, essere un plasmide o può essere un frammento diverso. Il DNA appena introdotto potrebbe includere un gene vitale che codifica per le proteine che consentono la resistenza agli antibiotici.
Infine, la trasduzione si basa sulla presenza di un virus invasore chiamato batteriofago. I virus si affidano alle cellule viventi per replicarsi perché, sebbene possiedano materiale genetico, non dispongono del macchinario per farne copie. Questi batteriofagi mettono il proprio materiale genetico nel DNA dei batteri che invadono e dirigono il batteri per produrre più fagi, i cui genomi contengono quindi un mix del DNA batterico originale e del DNA del batteriofago. Quando questi nuovi batteriofagi lasciano la cellula, possono invadere altri batteri e trasmettere il DNA acquisito dall'ospite precedente nella nuova cellula batterica.