Baktēriju šūnas raksturojums

Šūnas ir dzīves pamatvienības, un kā tādas ir mazākie atšķirīgie dzīvās būtnes elementi, kas saglabā visu atslēgu īpašības, kas saistītas ar dzīvām būtnēm, ieskaitot vielmaiņu, spēju vairoties un līdzekļus ķīmisko vielu uzturēšanai līdzsvars. Šūnas ir vai nu prokariots, termins, kas attiecas uz baktērijām un vienšūnas organismu izsitumiem, vai eikariots, kas attiecas uz augiem, sēnēm un dzīvniekiem.

Baktēriju un citas prokariotu šūnas gandrīz visos veidos ir daudz vienkāršākas nekā to eikariotu šūnas. Visās šūnās vismaz ir plazmas membrāna, citoplazma un ģenētiskais materiāls DNS formā. Kaut arī eikariotu šūnās ir daudz dažādu elementu, izņemot šos būtiskos elementus, šīs trīs lietas veido gandrīz visu baktēriju šūnu kopumu. Baktēriju šūnās tomēr ir dažas pazīmes, kuras eikariotu šūnām nē, jo īpaši šūnu siena.

Vienā eikariotu organismā var būt triljoni šūnu, kaut arī raugs ir vienšūnu; baktēriju šūnām savukārt ir tikai viena šūna. Tā kā eikariotu šūnās ietilpst dažādi ar membrānu saistīti organelli, piemēram, kodols, mitohondriji (dzīvniekiem), hloroplastiem (augu atbilde uz mitohondrijiem), Golgi ķermeņiem, endoplazmas retikulumam un lizosomām, baktēriju šūnām nav organellas. Gan eikariotos, gan prokariotos ietilpst ribosomas, sīkās struktūras, kas atbild par olbaltumvielu sintēzi, taču tās ir parasti vieglāk vizualizējami eikariotos, jo tik daudzi no tiem sakopojas pa lineāro, lentveida endoplazmatisko tīkls.

Baktēriju šūnas un pašas baktērijas ir viegli uzskatīt par "primitīvām", ņemot vērā to lielāko evolūcijas vecumu (apmēram 3,5 miljardi gadu, salīdzinot ar aptuveni 1,5 miljardi prokariotu) un to vienkāršība. Tomēr tas ir maldinoši vairāku iemeslu dēļ. Viens ir tas, ka, raugoties no sugu izdzīvošanas, vissarežģītākais nenozīmē, ka tas ir izturīgāks; visticamāk, baktērijas kā grupa pārspēs cilvēkus un citus "augstākos" organismus, tiklīdz apstākļi uz Zemes pietiekami mainīsies. Otrs iemesls ir tas, ka baktēriju šūnas, kaut arī vienkāršas, ir attīstījušas dažādus spēcīgus izdzīvošanas mehānismus, ko eikarioti nav.

Baktēriju šūnām ir trīs pamatformas: stienim līdzīgi (baciļi), apaļi (koki) un spirālveida (spirilli). Šīs morfoloģiskās baktēriju šūnu īpašības var būt noderīgas, diagnosticējot infekcijas slimības, kuras izraisa zināmas baktērijas. Piemēram, "STREP kakls" ir cēloņi pēc sugām Streptokoki, kas, kā norāda nosaukums, ir apaļi Stafilokoki. Sibīrijas mēri izraisa liela baciļa, un Laima slimību - spirohete, kas ir spirālveida. Papildus dažāda veida atsevišķām šūnām baktēriju šūnas mēdz atrasties kopās, kuru struktūra mainās atkarībā no attiecīgās sugas. Daži stieņi un koki aug garās ķēdēs, savukārt daži citi koki ir sastopami kopās, kas nedaudz atgādina atsevišķu šūnu formu.

Lielākā daļa baktēriju šūnu, atšķirībā no vīrusiem, var dzīvot neatkarīgi no citiem organismiem un vielmaiņas vai reproduktīvās vajadzībām nav atkarīgas no citām dzīvām būtnēm. Tomēr pastāv izņēmumi; dažas sugas Riketsija un Hlamīdijas ir obligāti intracelulāri, kas nozīmē, ka viņiem nav citas iespējas kā apdzīvot dzīvo būtņu šūnas, lai izdzīvotu.

Baktēriju šūnu kodola trūkums ir iemesls, kāpēc sākotnēji tika atšķirtas prokariotu šūnas eikariotu šūnas, jo šī atšķirība ir acīmredzama pat salīdzinoši maza palielinājuma mikroskopos jauda. Baktēriju DNS, kaut arī to neaptver kodola membrāna, piemēram, eikariotu, tomēr tā mēdz cieši sakopoties, un iegūto raupjo veidošanos sauc par nukleoīdu. Baktēriju šūnās ir ievērojami mazāk DNS nekā eikariotu šūnās; ja tas būtu izstiepts no gala līdz galam, viena tipiska eikarota ģenētiskā materiāla vai hromatīna kopija izstieptos līdz apmēram 1 milimetru, turpretim baktēriju diapazons būtu apmēram 1 līdz 2 mikrometri - 500 līdz 1000 reizes atšķirība. Eikariotu ģenētiskajā materiālā ir gan pati DNS, gan olbaltumvielas, ko sauc par histoniem, savukārt prokariotu DNS ir saistīti daži poliamīni (slāpekļa savienojumi) un magnija joni.

Varbūt visredzamākā strukturālā atšķirība starp baktēriju šūnām un citām šūnām ir fakts, ka baktērijām piemīt šūnu sienas. Šīs sienas, kas izgatavotas no peptidoglikāns molekulas, atrodas tieši ārpus šūnu membrānas, kas raksturīga visu veidu šūnām. Peptidoglikāni sastāv no polisaharīdu cukuru un olbaltumvielu sastāvdaļu kombinācijas; viņu galvenais uzdevums ir pievienot baktērijām aizsardzību un stingrību un piedāvāt stiprinājuma punktu tādām struktūrām kā pili un flagellas, kas rodas šūnu membrānā un caur šūnas sienu izplešas līdz ārējai videi.

Ja jūs būtu mikrobiologs, kas darbojas pagājušajā gadsimtā un gribētu radīt zāles, kas būtu bīstamas baktēriju šūnām, bet lielākoties nekaitīgas cilvēka šūnām, un jums būtu zināšanas par šo organismu šūnu sastāva struktūru, jūs to varētu izdarīt, izstrādājot vai atrodot vielas, kas ir toksiskas šūnu sienām, vienlaikus saudzējot citas šūnas. komponentiem. Patiesībā tieši antibiotikas darbojas tieši tā: tās mērķē un iznīcina baktēriju šūnu sienas, kā rezultātā baktērijas tiek nogalinātas. Penicilīni, kas parādījās 1940. gadu sākumā kā pirmā antibiotiku klase, darbojas, inhibējot peptidoglikānu sintēzi, kas veido dažu, bet ne visu baktēriju šūnu sienas. Viņi to dara, inaktivējot fermentu, kas katalizē procesu, ko sauc par šķērssavienojumu uzņēmīgās baktērijās. Gadu gaitā antibiotiku ievadīšana ir izvēlējusies baktērijas, kas rada vielas, kuras sauc par beta-laktamāzēm, kuru mērķis ir "iebrucošie" penicilīni. Tādējādi starp antibiotikām un to niecīgajiem, slimību izraisošajiem mērķiem saglabājas ilgstoša un nebeidzama "bruņošanās sacensība".

Dažām baktērijām ir ārējas struktūras, kas palīdz baktērijām pārvietoties fiziskajā pasaulē. Piemēram, flagella (vienskaitlis: flagellum) ir pātagai līdzīgi piedēkļi, kas nodrošina baktēriju, kurām tās piemīt, pārvietošanās iespēju, līdzīgu kā kurkuļiem. Dažreiz tie ir atrodami vienā baktēriju šūnas galā; dažām baktērijām tās ir abos galos. Flagella "sit" tāpat kā propellers, ļaujot baktērijām "vajāt" barības vielas, "izkļūt" no toksiskām ķīmiskām vielām vai virzīties uz gaismu (dažas baktērijas, ko sauc par zilaļģes, enerģija, piemēram, augi, paļaujas uz fotosintēzi un tādējādi prasa regulāru gaismas iedarbību).

Pili (vienskaitlis: pilus), ir strukturāli līdzīgi karodziņiem, jo ​​tie ir matainas projekcijas, kas stiepjas uz āru no baktēriju šūnas virsmas. Viņu funkcija tomēr ir atšķirīga. Tā vietā, lai palīdzētu pārvietoties, pili palīdz baktērijām piestiprināties pie citām dažāda sastāva šūnām un virsmām, ieskaitot akmeņus, jūsu zarnas un pat zobu emalju. Citiem vārdiem sakot, tie baktērijām piedāvā "lipīgumu" tādā veidā, kā barņu raksturīgās čaulas ļauj šiem organismiem pieķerties akmeņiem. Bez pili daudzas patogēnās (t.i., slimību izraisošās) baktērijas nav infekciozas, jo tās nevar pielipt saimniekaudiem. Procesam, ko sauc, tiek izmantots specializēts pili veids konjugācija, kurā divas baktērijas apmaina DNS daļas.

Dažu baktēriju diezgan velnišķīgs konstrukts ir endosporas. Bacillus un Clostridium sugas var radīt šīs sporas, kas ir ļoti karstumizturīgas, dehidrētas un neaktīvas normālu baktēriju šūnu versijas, kas izveidotas šūnu iekšienē. Tie satur savu pilnīgu genomu un visus vielmaiņas enzīmus. Endosporas galvenā iezīme ir tā sarežģītais sporu apvalks. Slimības botulismu izraisa a Clostridium botulinum endospore, kas izdala nāvējošu vielu, ko sauc par endotoksīnu.

Baktērijas ražo, izmantojot procesu, ko sauc par bināro šķelšanos, kas vienkārši nozīmē sadalīšanu uz pusēm un tādu šūnu pāra izveidošanu, kas katra ir ģenētiski identiska vecāku šūnai. Šī neaseksuālā reprodukcijas forma ir krasā pretstatā eikariotu reprodukcijai, kas ir dzimumtieksme ka tas ietver divus vecākorganismus, kas veido vienādu daudzumu ģenētiskā materiāla, lai izveidotu pēcnācēji. Kaut arī seksuālā reprodukcija uz virsmas var šķist apgrūtinoša - galu galā, kāpēc ieviest šo enerģiski dārgo soli, ja šūnas tā vietā var vienkārši sadalīties uz pusēm? - tā ir absolūta ģenētiskās daudzveidības garantija, un šāda veida daudzveidība ir būtiska sugu izdzīvošanai.

Padomājiet par to: Ja katrs cilvēks būtu ģenētiski identisks vai pat tuvu, it īpaši fermentu un olbaltumvielu līmenī, kuru jūs nevarat redzēt bet kas kalpo vitāli svarīgām vielmaiņas funkcijām, tad pietiek ar viena veida bioloģisko pretinieku, lai potenciāli iznīcinātu visus cilvēce. Jūs jau zināt, ka cilvēkiem ir atšķirīga ģenētiskā uzņēmība pret noteiktām lietām, sākot no galvenajām (daži cilvēki var nomirt, pakļaujoties nelielai alergēnu, tostarp zemesriekstu, iedarbībai. un bišu inde) līdz salīdzinoši triviālam (daži cilvēki nespēj sagremot cukura laktāzi, padarot tos nespējus patērēt piena produktus bez nopietniem kuņģa-zarnu trakta traucējumiem. sistēmas). Suga, kurai ir ļoti liela ģenētiskā daudzveidība, lielā mērā ir pasargāta no izmiršanas, jo šī daudzveidība piedāvā izejvielu, uz kuru var iedarboties labvēlīgs dabiskās atlases spiediens. Ja gadās, ka 10 procenti konkrētās sugas populācijas ir imūni pret noteiktu vīrusu, kas sugai vēl nav jāpiedzīvo, tas ir vienkāršs dīvains. No otras puses, ja vīruss izpaužas šajā populācijā, var paiet neilgs laiks, līdz šis notikums 10 procenti pārstāv 100 procentus no šīs sugas izdzīvojušajiem organismiem.

Rezultātā baktērijas ir attīstījušas vairākas metodes ģenētiskās daudzveidības nodrošināšanai. Tie ietver pārveidošana, konjugācija un transdukcija. Ne visas baktēriju šūnas var izmantot visus šos procesus, bet starp tiem tās ļauj visām baktēriju sugām izdzīvot daudz lielākā mērā nekā citādi.

Transformācija ir DNS uzņemšanas process no vides, un tas ir sadalīts dabiskā un mākslīgā formā. Dabiskā transformācijā mirušo baktēriju DNS tiek ievadīta caur šūnu membrānu, izmantojot attīrīšanas stilu, un tiek iekļauta izdzīvojušo baktēriju DNS. Mākslīgā pārveidošanā zinātnieki bieži apzināti ievada DNS saimniekbaktērijā E. koli (jo šai sugai ir mazs, vienkāršs genoms, ar kuru var viegli manipulēt), lai pētītu šos organismus vai izveidotu vēlamo baktēriju produktu. Bieži vien ievadītā DNS ir no a plazmīds, dabiski sastopams baktēriju DNS gredzens.

Konjugācija ir process, kurā viena baktērija izmanto pilus vai pili, lai tiešā kontaktā "injicētu" DNS otrajā baktērijā. Pārnēsātā DNS, tāpat kā mākslīgā transformācijā, var būt plazmīds vai arī tas var būt atšķirīgs fragments. Nesen ieviestā DNS var ietvert vitāli svarīgu gēnu, kas kodē olbaltumvielas, kas nodrošina antibiotiku rezistenci.

Visbeidzot, transdukcija ir atkarīga no iebrucēja vīrusa, ko sauc par bakteriofāgu, klātbūtnes. Vīrusi paļaujas uz dzīvo šūnu reprodukciju, jo, kaut arī tiem ir ģenētiskais materiāls, tiem trūkst mehānismu, lai to kopētu. Šie bakteriofāgi ievieto savu ģenētisko materiālu to baktēriju DNS, kurās tie iebrūk, un vada tos baktērijas, lai iegūtu vairāk fāgu, kuru genomos pēc tam ir sākotnējās baktēriju DNS un bakteriofāga DNS. Kad šie jaunie bakteriofāgi atstāj šūnu, tie var iebrukt citās baktērijās un pārnest no iepriekšējā saimnieka iegūto DNS jaunajā baktēriju šūnā.