מאפייני תא חיידקי

תאים הם היחידות הבסיסיות של החיים, וככאלה הם האלמנטים הקטנים ביותר של יצורים חיים השומרים על כל המפתח תכונות הקשורות ביצורים חיים, כולל מטבוליזם, יכולת ההתרבות ואמצעי לשמירה על כימיקלים איזון. גם תאים פרוקריוטי, מונח המתייחס לחיידקים ולהתפשטות של אורגניזמים חד תאיים, או איקריוטי, המתייחס לצמחים, פטריות ובעלי חיים.

תאים פרוקריוטיים חיידקיים ואחרים פשוטים בהרבה כמעט מכל בחינה לעומת עמיתיהם האיקריוטים. כל התאים לכל הפחות כוללים קרום פלזמה, ציטופלזמה וחומר גנטי בצורת DNA. בעוד שתאים אוקריוטיים כוללים מגוון רחב של אלמנטים מעבר ליסודות אלה, שלושת הדברים הללו מהווים כמעט את כל תאי החיידקים. תאי חיידקים, לעומת זאת, כוללים כמה תכונות שתאים אוקריוטים לא לא, ובעיקר דופן התא.

באורגניזם אוקריוטי יחיד יכול להיות טריליוני תאים, אם כי שמרים הם תאיים; לעומת זאת, לתאי חיידקים יש תא אחד בלבד. בעוד שתאים אוקריוטיים כוללים מגוון אברונים הקשורים לקרום, כגון הגרעין, המיטוכונדריה (בבעלי חיים), כלורופלסטים (תשובת הצמחים למיטוכונדריה), גופי גולגי, הרטיקולום האנדופלזמי וליזוזומים, לתאי חיידק אין אברונים. שני האאוקריוטים והפרוקריוטים כוללים ריבוזומים, המבנים הזעירים האחראים על סינתזת החלבון, אך אלה הם בדרך כלל ניתן לדמיין בקלות רבה יותר באיקריוטים מכיוון שרבים מהם מתקבצים לאורך האנדופלזמה הליניארית, הדומה לסרט רשתית.

קל להתייחס לתאי חיידקים ולחיידקים עצמם כ"פרימיטיביים ", בשל גילם האבולוציוני הגדול יותר (כ -3.5 מיליארד שנה, לעומת כ -1.5 מיליארד לפרוקריוטים) ופשטותם. אולם, זה מטעה ממספר סיבות. האחת היא שמבחינה מוחלטת של הישרדות המינים, מורכב יותר לא בהכרח אומר יותר חזק; ככל הנראה, חיידקים כקבוצה יחריפו את בני האדם ואורגניזמים "גבוהים" אחרים ברגע שהתנאים בכדור הארץ ישתנו מספיק. סיבה שנייה היא שתאי חיידקים, אם כי פשוטים, פיתחו מגוון מנגנוני הישרדות חזקים שלא היו באיקריוטים.

תאי חיידקים מגיעים בשלוש צורות בסיסיות: דמוי מוט (הבציליה), עגול (קוקסי) וצורת ספירלה (ספירילי). מאפייני תאים חיידקיים מורפולוגיים אלה יכולים להיות שימושיים באבחון מחלות זיהומיות הנגרמות על ידי חיידקים ידועים. לדוגמה, "דלקת גרון" גורמת למינים של סטרפטוקוקים, שכשמו כן הוא, הם עגולים, כפי שהם סטפילוקוקים. אנתרקס נגרם על ידי בזילוס גדול, ומחלת ליים נגרמת על ידי ספירוצ'טה, בצורת ספירלה. בנוסף לצורות המשתנות של תאים בודדים, תאים חיידקיים נוטים להימצא באשכולות, שמבנהם משתנה בהתאם למין המדובר. יש מוטות וקוצ'י הגדלים בשרשראות ארוכות, בעוד שקוצ'י מסוימים אחרים נמצאים באשכולות המזכירים מעט את צורתם של תאים בודדים.

רוב תאי החיידק יכולים, בניגוד לנגיפים, לחיות באופן עצמאי מאורגניזמים אחרים, ואינם מסתמכים על יצורים חיים אחרים לצרכים מטבוליים או רבייה. אולם חריגים קיימים; מינים מסוימים של Rickettsiae ו כלמידיה הם תאיים מחויבים, כלומר אין להם אפשרות אלא לאכלס את תאי היצורים החיים כדי לשרוד.

היעדר גרעין של תאים בקטריאליים הוא הסיבה שהבחינו במקור בין תאים פרוקריוטים תאים אוקריוטים, שכן הבדל זה ניכר אפילו במיקרוסקופים בהגדלה נמוכה יחסית כּוֹחַ. אף על פי שדנ"א חיידקי אינו מוקף בקרום גרעיני כמו זה של האאוקריוטים, אך נוטה להתאגד מקרוב, ויצירת הגס המתקבלת מכונה נוקלאואיד. בסך הכל יש פחות DNA בתאים חיידקיים מאשר בתאים אוקריוטים; אם נמתח מקצה לקצה, עותק בודד של החומר הגנטי האופייני לאאוקארירוטה, או הכרומטין, יתמתח עד כמילימטר אחד, ואילו זה של חיידק ישתרע על כ -1 עד 2 מיקרומטר - פי פי 500 עד 1,000 הֶבדֵל. החומר הגנטי של האאוקריוטים כולל גם את ה- DNA עצמו וגם את החלבונים הנקראים היסטונים, בעוד של- DNA הפרוקריוטי יש כמה פוליאמינים (תרכובות חנקן) ויוני מגנזיום הקשורים אליו.

אולי ההבדל המבני הברור ביותר בין תאי חיידק לתאים אחרים הוא העובדה שיש חיידקים דפנות תאים. הקירות האלה, עשויים פפטידוגליקן מולקולות, מונחות ממש מחוץ לקרום התא, אשר תאים מכל הסוגים כוללים. פפטידוגליקנים מורכבים משילוב של סוכרים רב-סוכרים ורכיבי חלבון; תפקידם העיקרי הוא להוסיף הגנה ונוקשות לחיידקים ולהציע נקודת עיגון למבנים כגון פילי ופלאלה, שמקורם בקרום התא ומשתרע דרך דופן התא לסביבה החיצונית.

אם היית מיקרוביולוג שפועל במאה שחלפה ורוצה ליצור תרופה שתהיה מסוכנת לתאי חיידקים ובעיקר אינה מזיקה לתאים אנושיים והיית יודעת את המבנים המתאימים של הרכב הסלולר של אורגניזמים אלה, אתה יכול לעשות זאת על ידי תכנון או מציאת חומרים רעילים לדפנות התא תוך חסכון בתאים אחרים רכיבים. למעשה, כך בדיוק פועלים הרבה אנטיביוטיקה: הם מכוונים ומשמידים את דפנות תאי החיידק, והורגים את החיידקים כתוצאה מכך. פניצילינים, שהופיע בראשית שנות הארבעים כמחלקה הראשונה של אנטיביוטיקה, פועל על ידי עיכוב הסינתזה של הפפטידוגליקנים המרכיבים את דפנות התאים של חלק מהחיידקים, אך לא כולם. הם עושים זאת על ידי השבתת אנזים המזרז תהליך הנקרא cross-linking בחיידקים רגישים. במהלך השנים בחר מתן אנטיביוטיקה לחיידקים שבמקרה מייצרים חומרים הנקראים בטא-לקטאזות, המכוונים לפניצילינים "הפולשים". לפיכך "מרוץ חימוש" ארוך שנים ובלתי נגמר נותר בתוקף בין אנטיביוטיקה למטרותיהם הזעירות וגורמות למחלות.

יש חיידקים הכוללים מבנים חיצוניים המסייעים לחיידקים בניווט שלהם בעולם הפיזי. לדוגמה, flagella (יחיד: דגל) הם תוספות דמויי שוט המספקות אמצעי תנועה לחיידקים המחזיקים אותם, בדומה לזו של ראשנים. לפעמים הם נמצאים בקצה אחד של תא חיידקי; לחיידקים מסוימים יש אותם בשני הקצוות. הדגל "פועם" ממש כמו מדחף, ומאפשר לחיידקים "לרדוף אחרי" חומרים מזינים, "לברוח" מכימיקלים רעילים או לנוע לעבר אור (חלק מהחיידקים נקראים ציאנובקטריה, להסתמך על פוטוסינתזה לאנרגיה כמו שצמחים עושים ובכך לדרוש חשיפה קבועה לאור).

פילי (יחיד: פילוס), דומים מבנית לדגלים, מכיוון שהם הקרנות שיערות המשתרעות החוצה מפני שטח תאי החיידק. אולם תפקידם שונה. במקום לסייע בתנועה, פילי עוזר לחיידקים להצמיד את עצמם לתאים ומשטחים אחרים של קומפוזיציות שונות, כולל סלעים, המעיים שלך ואפילו אמייל השיניים. במילים אחרות, הם מציעים "דביקות" לחיידקים באופן שבו הקונכיות האופייניות לברנפות מאפשרות לאורגניזמים אלה להיצמד לסלעים. ללא פילי, חיידקים פתוגניים רבים (כלומר גורמים למחלות) אינם מדביקים, מכיוון שהם אינם יכולים לדבוק ברקמות המארח. סוג מיוחד של פילי משמש לתהליך שנקרא נְטִיָה, שבו שני חיידקים מחליפים חלקים של DNA.

מבנה די שטני של חיידקים מסוימים הם אנדוספורות. Bacillus ו קלוסטרידיום מינים יכולים לייצר נבגים אלה, שהם גרסאות עמידות מאוד לחום, מיובשות ולא פעילות של תאי חיידקים רגילים שנוצרים בתוך התאים. הם מכילים את הגנום השלם שלהם ואת כל האנזימים המטבוליים. המאפיין המרכזי של האנדוספור הוא מעיל הנבגים המגן המורכב שלו. המחלה בוטוליזם נגרמת על ידי קלוסטרידיום בוטולינום אנדוספור, שמפריש חומר קטלני הנקרא אנדוטוקסין.

חיידקים מייצרים בתהליך הנקרא ביקוע בינארי, שפירושו פשוט פיצול לשניים ויצירת זוג תאים שכל אחד מהם זהה גנטית לתא האב. צורת רבייה א-מינית זו עומדת בניגוד חד לריבוי האיקריוטים שהוא מיני שזה כולל שני אורגניזמים הורים שתורמים כמות שווה של חומר גנטי ליצירת צֶאֱצָאִים. בעוד שהרבייה המינית על פני השטח עשויה להראות מסורבלת - אחרי הכל, מדוע להציג את הצעד היקר הזה מבחינה אנרגטית אם התאים יכולים פשוט להתחלק לשניים במקום? - זוהי ביטחון מוחלט לגיוון גנטי, וסוג זה של גיוון חיוני להישרדות המינים.

תחשוב על זה: אם כל בן אדם היה זהה גנטית או אפילו קרוב, במיוחד ברמת האנזימים והחלבונים שאתה לא יכול לראות אבל שמשרתים פונקציות מטבוליות חיוניות, אז יהיה מספיק סוג של יריב ביולוגי כדי למחוק את כולם האנושות. אתה כבר יודע שבני אדם שונים ברגישות הגנטית שלהם לדברים מסוימים, מהעיקרי (יש אנשים שיכולים למות מחשיפה לחשיפות קטנות לאלרגנים, כולל בוטנים וארס דבורים) לטריוויאלי יחסית (יש אנשים שלא יכולים לעכל את לקטז הסוכר, מה שלא גורם להם לצרוך מוצרי חלב ללא שיבושים חמורים במערכת העיכול שלהם מערכות). מין הנהנה ממגוון גנטי רב מאוד מוגן במידה רבה מפני הכחדה מכיוון שמגוון זה מציע חומר גלם שעליו יכולים לפעול לחצי ברירה טבעיים חיוביים. אם במקרה 10 אחוזים מאוכלוסיית המין הנתון חסינים מפני נגיף מסוים שהמין טרם חווה, זהו פשוט מוזר. אם, לעומת זאת, הנגיף בא לידי ביטוי באוכלוסייה זו, ייתכן שיחלוף זמן רב עד שמקרה זה 10 אחוז מייצג 100 אחוז מהאורגניזמים ששרדו במין זה.

כתוצאה מכך, חיידקים פיתחו מספר שיטות להבטחת המגוון הגנטי. אלו כוללים טרנספורמציה, צמידה ו התמרה. לא כל תאי החיידק יכולים לעשות שימוש בכל התהליכים הללו, אך ביניהם הם מאפשרים לכל מיני החיידקים לשרוד במידה רבה בהרבה ממה שהיו עושים זאת.

טרנספורמציה היא תהליך של לקיחת DNA מהסביבה, והיא מחולקת לצורות טבעיות ומלאכותיות. בשינוי טבעי, דנ"א מחיידקים מתים מופנם דרך קרום התא, בסגנון נבלות ומשולב בדנ"א של החיידקים ששרדו. בשינוי מלאכותי מדענים מכניסים DNA בכוונה לחיידק מארח, לעיתים קרובות ה קולי (מכיוון שלמין זה יש גנום פשוט ופשוט שניתן לתפעל בקלות) על מנת לחקור אורגניזמים אלה או ליצור תוצר חיידקי רצוי. לעתים קרובות, ה- DNA שהוצג הוא מ- פלסמיד, טבעת טבעית של DNA חיידקי.

הצמידה היא התהליך שבו חיידק אחד משתמש בפילוס או פילי כדי "להזריק" DNA לחיידק שני באמצעות מגע ישיר. ה- DNA המועבר עשוי, כמו עם טרנספורמציה מלאכותית, להיות פלסמיד או שהוא עשוי להיות שבר אחר. ה- DNA שהוצג לאחרונה עשוי לכלול גן חיוני המקודד חלבונים המאפשר עמידות לאנטיביוטיקה.

לבסוף, התמרה מתבססת על קיומו של נגיף פולש הנקרא בקטריופאג. וירוסים מסתמכים על שכפול תאים חיים מכיוון שלמרות שיש ברשותם חומר גנטי, הם חסרים מכונות ליצירת עותקים ממנו. בקטריופאגים אלה מציבים חומר גנטי משלהם ב- DNA של החיידקים אליהם הם פולשים ומכוונים חיידקים כדי ליצור יותר פאגים, אשר הגנום שלהם מכיל תערובת של ה- DNA החיידקי המקורי DNA בקטריופאג. כאשר החיידק החדש הזה עוזב את התא, הם יכולים לפלוש לחיידקים אחרים ולהעביר את ה- DNA שנרכש מהמארח הקודם לתא החיידקים החדש.