Ląstelės yra pagrindiniai gyvenimo vienetai, ir kaip tokie yra mažiausi atskiri gyvių elementai, kurie išlaiko visą raktą savybės, susijusios su gyvais daiktais, įskaitant medžiagų apykaitą, gebėjimą daugintis ir priemones cheminėms medžiagoms palaikyti pusiausvyra. Ląstelės yra arba prokariotas, terminas, nurodantis bakterijas ir vienaląsčių organizmų šlaką, arba eukariotas, kuris nurodo augalus, grybus ir gyvūnus.
Bakterijų ir kitos prokariotinės ląstelės yra beveik visais atžvilgiais daug paprastesnės nei jų eukariotų ląstelės. Visose ląstelėse yra mažiausiai plazmos membrana, citoplazma ir genetinė medžiaga DNR pavidalu. Nors eukariotų ląstelėse yra daugybė elementų, išskyrus šiuos esminius dalykus, šie trys dalykai sudaro beveik visą bakterijų ląstelių visumą. Tačiau bakterijų ląstelėse yra keletas savybių, kurių eukariotinės ląstelės nėra, ypač ląstelių sienelės.
Ląstelių pagrindai
Viename eukariotiniame organizme gali būti trilijonai ląstelių, nors mielės yra vienaląsčios; kita vertus, bakterijų ląstelės turi tik vieną ląstelę. Kadangi eukariotinėse ląstelėse yra įvairių su membrana susijusių organelių, tokių kaip branduolys, mitochondrijos (gyvūnams), chloroplastai (augalų atsakas į mitochondrijas), Golgi kūnai, endoplazminis tinklas ir lizosomos, bakterijų ląstelės neturi organelės. Tiek eukariotuose, tiek prokariotuose yra ribosomos, mažos struktūros, atsakingos už baltymų sintezę, tačiau tai yra paprastai lengviau vizualizuojami eukariotuose, nes tiek daug jų susitelkia palei linijinę, į juostą panašią endoplazminę tinklas.
Bakterines ląsteles ir pačias bakterijas lengva laikyti „primityviomis“ ir dėl jų didesnio evoliucinio amžiaus (apie 3,5 milijardo metų, palyginti su apie 1,5 mlrd. prokariotams) ir jų paprastumas. Tačiau tai klaidina dėl daugelio priežasčių. Viena yra ta, kad vien tik iš rūšių išlikimo požiūriu, sudėtingumas nebūtinai reiškia tvirtesnį; labai tikėtina, kad bakterijos kaip grupė pralenks žmones ir kitus „aukštesnius“ organizmus, kai sąlygos Žemėje pakis. Antra priežastis yra ta, kad bakterijų ląstelės, nors ir paprastos, sukūrė daugybę stiprių išgyvenimo mechanizmų, kurių neturi eukariotai.
Bakterijų ląstelių gruntas
Bakterijų ląstelės yra trijų pagrindinių formų: į lazdelę panašios (bacilos), apvalios (kakai) ir spiralės formos (spirilės). Šios morfologinės bakterijų ląstelių savybės gali būti naudingos diagnozuojant infekcines ligas, kurias sukelia žinomos bakterijos. Pavyzdžiui, "streptokokinė gerklė" yra priežastis pagal rūšis Streptokokai, kurie, kaip rodo pavadinimas, yra apvalūs Stafilokokai. Juodligę sukelia didelė bacila, o Laimo ligą - spiralė, kuri yra spiralės formos. Be skirtingos atskirų ląstelių formos, bakterijų ląstelės paprastai būna grupėse, kurių struktūra skiriasi priklausomai nuo aptariamos rūšies. Kai kurie strypai ir kokai auga ilgomis grandinėmis, o kai kurie kiti kokai yra grupėse, šiek tiek primenančiose atskirų ląstelių formą.
Dauguma bakterijų ląstelių, skirtingai nuo virusų, gali gyventi nepriklausomai nuo kitų organizmų ir nėra priklausomos nuo kitų gyvų medžiagų, susijusių su medžiagų apykaitos ar reprodukcijos poreikiais. Tačiau išimčių yra; kai kurios rūšys Rickettsiae ir Chlamidijos yra būtinai tarpląsteliniai, o tai reiškia, kad jie neturi kito pasirinkimo, kaip gyventi gyvųjų ląstelėse, kad išliktų.
Bakterijų ląstelių branduolio trūkumas yra priežastis, dėl kurios iš pradžių buvo atskiriamos prokariotinės ląstelės eukariotinės ląstelės, nes šis skirtumas akivaizdus net esant palyginti mažo padidinimo mikroskopams galia. Nors bakterijų DNR nėra apsupta branduolio membranos, kaip eukariotų, vis dėlto yra linkusi glaudžiai susitelkti, o gautas grubus darinys vadinamas nukleoidu. Bakterijų ląstelėse yra žymiai mažiau DNR nei eukariotinėse ląstelėse; ištempus galą iki galo, viena tipiškos eukaroto genetinės medžiagos arba chromatino kopija ištemptų iki apie 1 milimetrą, tuo tarpu bakterijos plotis būtų apie 1–2 mikrometrus - 500–1000 kartų skirtumas. Į eukariotų genetinę medžiagą įeina ir pati DNR, ir baltymai, vadinami histonais, tuo tarpu prokariotų DNR turi keletą poliaminų (azoto junginių) ir magnio jonų.
Bakterijų ląstelių sienelė
Bene akivaizdžiausias struktūrinis skirtumas tarp bakterijų ląstelių ir kitų ląstelių yra tai, kad bakterijos turi ląstelių sieneles. Šios sienos, pagamintos iš peptidoglikanas molekulės, yra tiesiai už ląstelės membranos, kuri yra visų tipų ląstelėse. Peptidoglikanai susideda iš polisacharidinių cukrų ir baltymų komponentų derinio; jų pagrindinis darbas yra suteikti bakterijoms apsaugą ir tvirtumą ir pasiūlyti tvirtinimo tašką tokioms konstrukcijoms kaip pili ir flagella, kurie atsiranda ląstelės membranoje ir tęsiasi per ląstelės sienelę iki išorinės aplinkos.
Jei būtumėte mikrobiologas, dirbęs praėjusiame amžiuje, ir norėtumėte sukurti vaistą, kuris būtų pavojingas bakterijų ląstelėms, o dažniausiai nekenksmingas žmogaus ląstelėms, ir turėtumėte žinių apie atitinkamas šių organizmų ląstelių sudėties struktūras, galite tai padaryti suprojektuodami ar surasdami toksiškas medžiagas, kurios yra toksiškos ląstelių sienelėms, tausodamos kitas ląsteles. komponentai. Tiesą sakant, daugelis antibiotikų veikia būtent taip: jie nukreipia ir sunaikina bakterijų ląstelių sieneles, todėl bakterijas sunaikina. Penicilinai, atsiradusi 1940-ųjų pradžioje kaip pirmoji antibiotikų klasė, veikia slopindama kai kurių, bet ne visų bakterijų ląstelių sieneles sudarančių peptidoglikanų sintezę. Jie tai daro inaktyvindami fermentą, kuris katalizuoja procesą, vadinamą kryžminiu ryšiu jautriose bakterijose. Bėgant metams, vartojant antibiotikus, buvo atrinktos bakterijos, kurios gamina medžiagas, vadinamąsias beta-laktamazes, kurios nukreiptos į „įsiveržiančius“ penicilinus. Taigi tarp antibiotikų ir jų mažų, ligas sukeliančių taikinių išlieka ilgalaikės ir nesibaigiančios „ginklavimosi varžybos“.
Flagella, Pili ir Endospores
Kai kurios bakterijos pasižymi išorinėmis struktūromis, kurios padeda bakterijoms naršyti fiziniame pasaulyje. Pavyzdžiui, vėliava (vienaskaita: flagellum) yra į rykštę panašūs priedai, kurie suteikia galimybę jas turintiems bakterijoms judėti panašiai kaip buožgalviams. Kartais jie randami viename bakterinės ląstelės gale; kai kurios bakterijos jų turi abiejuose galuose. Vėliava „muša“ panašiai kaip sraigtas, leidžiantis bakterijoms „vaikytis“ maistines medžiagas, „pabėgti“ nuo nuodingų chemikalų ar judėti link šviesos (kai kurios bakterijos, vadinamos cianobakterijos, energija remiasi fotosinteze, kaip tai daro augalai, todėl jiems reikia reguliariai veikti šviesą).
Pili (vienaskaita: pilus), yra struktūriškai panašūs į vėliavas, nes yra į plauką panašios projekcijos, besitęsiančios iš bakterijų ląstelių paviršiaus. Tačiau jų funkcija skiriasi. Užuot padėję judėti, pili padeda bakterijoms prisirišti prie kitų įvairios sudėties ląstelių ir paviršių, įskaitant uolienas, jūsų žarnas ir net dantų emalį. Kitaip tariant, jie siūlo „lipnumą“ bakterijoms taip, kaip būdingi barnių lukštai leidžia šiems organizmams prilipti prie uolienų. Be pili, daugelis patogeninių (t. Y. Ligas sukeliančių) bakterijų nėra infekcinės, nes jos negali prilipti prie šeimininko audinių. Vadinamam procesui naudojamas specializuotas pilių tipas konjugacija, kuriame dvi bakterijos keičiasi DNR dalimis.
Gana velniškas tam tikrų bakterijų darinys yra endosporos. Bacilos ir Clostridium rūšys gali gaminti šias sporas, kurios yra labai atsparios karščiui, dehidratuotos ir neaktyvios įprastų bakterijų ląstelių, kurios yra sukurtos ląstelių viduje, versijos. Juose yra visas jų genomas ir visi metaboliniai fermentai. Pagrindinis endosporos bruožas yra sudėtingas apsauginis sporų sluoksnis. Ligos botulizmą sukelia a Clostridium botulinum endospora, išskirianti mirtiną medžiagą, vadinamą endotoksinu.
Bakterijų dauginimasis
Bakterijos gaminasi procesu, vadinamu dvejetainiu dalijimusi, o tai tiesiog reiškia padalijimą per pusę ir ląstelių poros sukūrimą, kurios kiekviena yra genetiškai identiška pirminiai ląstelei. Ši nelytinė reprodukcijos forma yra visiškai priešinga eukariotų reprodukcijai, kuri yra seksualinė kad jame dalyvauja du pirminiai organizmai, prisidedantys vienodu genetinės medžiagos kiekiu sukurti palikuonių. Nors seksualinis dauginimasis paviršiuje gali atrodyti sudėtingas - galų gale, kodėl reikia įvesti šį energiškai brangų žingsnį, jei ląstelės gali tiesiog pasidalyti pusiau? - tai yra absoliutus genetinės įvairovės užtikrinimas, ir ši įvairovė yra būtina rūšių išlikimui.
Pagalvokite apie tai: jei kiekvienas žmogus būtų genetiškai identiškas ar net artimas, ypač fermentų ir baltymų lygmenyje, kurio nematote bet kurios atlieka gyvybiškai svarbias medžiagų apykaitos funkcijas, tada pakaktų vieno tipo biologinio priešininko, kuris potencialiai išnaikintų visus žmonija. Jūs jau žinote, kad žmonės skiriasi dėl savo genetinio jautrumo tam tikriems dalykams, nuo pagrindinių (kai kurie žmonės gali mirti dėl nedidelio alergenų, įskaitant žemės riešutų, poveikio bičių nuodai) iki santykinai nereikšmingo (kai kurie žmonės negali virškinti cukraus laktazės, todėl jie negali vartoti pieno produktų be rimtų virškinimo trakto sutrikimų). sistemos). Rūšis, kuriai būdinga didelė genetinė įvairovė, yra daugiausiai apsaugota nuo išnykimo, nes ši įvairovė suteikia žaliavą, kuriai esant gali veikti palankus natūralios atrankos spaudimas. Jei 10 procentų tam tikros rūšies populiacijos yra apsaugota nuo tam tikro viruso, kurio rūšiai dar neteko patirti, tai yra tik keistenybė. Kita vertus, jei virusas pasireiškia šioje populiacijoje, gali praeiti neilgai trukus, kol šis įvykis 10 proc. Reiškia 100 proc. Išgyvenusių šios rūšies organizmų.
Todėl bakterijos sukūrė daugybę būdų, kaip užtikrinti genetinę įvairovę. Jie apima transformacija, konjugacija ir perdavimas. Ne visos bakterijų ląstelės gali panaudoti visus šiuos procesus, tačiau tarp jų jos leidžia visoms bakterijų rūšims išgyventi kur kas labiau nei kitaip.
Transformacija yra DNR paėmimo iš aplinkos procesas, jis skirstomas į natūralias ir dirbtines formas. Natūraliai transformuojantis, negyvų bakterijų DNR yra įsisavinama per ląstelių membraną, naudojant šiukšlių pašalinimo būdą, ir įtraukiama į išlikusių bakterijų DNR. Dirbtinio virsmo metu mokslininkai dažnai tyčia įneša DNR į šeimininko bakteriją E. coli (nes ši rūšis turi nedidelį, paprastą genomą, kuriuo lengva manipuliuoti), norint ištirti šiuos organizmus ar sukurti norimą bakterinį produktą. Dažnai įvedama DNR yra iš a plazmidė, natūraliai atsirandantis bakterinės DNR žiedas.
Konjugacija yra procesas, kurio metu viena bakterija, naudodama pilį ar pilį, tiesioginiu kontaktu „suleidžia“ DNR į antrąją bakteriją. Perduodama DNR, kaip ir dirbtinai transformuojant, gali būti plazmidė arba gali būti kitoks fragmentas. Naujai įvestoje DNR gali būti gyvybiškai svarbus genas, koduojantis baltymus, leidžiančius atsparumą antibiotikams.
Galiausiai, perdavimas priklauso nuo įsiveržusio viruso, vadinamo bakteriofagu, buvimo. Virusai remiasi gyvomis ląstelėmis, nes, nors ir turi genetinę medžiagą, jiems trūksta mechanizmų jos kopijoms gaminti. Šie bakteriofagai įdeda savo genetinę medžiagą į bakterijų, į kurias jie įsiveržia, DNR ir nukreipia juos bakterijų, kad būtų sukurta daugiau fagų, kurių genomuose yra mišinys iš pradinės bakterinės DNR ir bakteriofago DNR. Kai šie nauji bakteriofagai palieka ląstelę, jie gali įsiskverbti į kitas bakterijas ir perduoti iš ankstesnio šeimininko gautą DNR į naują bakterijų ląstelę.