Cellen zijn de fundamentele eenheden van het leven en als zodanig de kleinste afzonderlijke elementen van levende wezens die alle sleutels behouden eigenschappen die verband houden met levende wezens, waaronder metabolisme, het vermogen om zich voort te planten en een middel om chemische stoffen in stand te houden balans. Cellen zijn ofwel prokaryotisch, een term die verwijst naar bacteriën en een paar eencellige organismen, of eukaryoot, die verwijst naar planten, schimmels en dieren.
Bacteriële en andere prokaryotische cellen zijn in bijna alle opzichten veel eenvoudiger dan hun eukaryote tegenhangers. Alle cellen bevatten minimaal een plasmamembraan, cytoplasma en genetisch materiaal in de vorm van DNA. Hoewel eukaryote cellen een grote verscheidenheid aan elementen bevatten die verder gaan dan deze essentiële, zijn deze drie dingen verantwoordelijk voor bijna het geheel van bacteriële cellen. Bacteriële cellen hebben echter enkele kenmerken die eukaryote cellen niet hebben, met name een celwand.
Basisprincipes van cellen
Een enkel eukaryoot organisme kan biljoenen cellen hebben, hoewel gist eencellig is; bacteriële cellen daarentegen hebben maar één cel. Terwijl eukaryote cellen een verscheidenheid aan membraangebonden organellen omvatten, zoals de kern, mitochondriën (bij dieren), chloroplasten (het antwoord van planten op mitochondriën), Golgi-lichamen, het endoplasmatisch reticulum en lysosomen, bacteriële cellen hebben geen organellen. Zowel eukaryoten als prokaryoten omvatten ribosomen, de kleine structuren die verantwoordelijk zijn voor eiwitsynthese, maar deze zijn meestal gemakkelijker zichtbaar in eukaryoten omdat zo veel van hen zich clusteren langs de lineaire, lintachtige endoplasmatische netvlies.
Het is gemakkelijk om bacteriële cellen en bacteriën zelf als "primitief" te beschouwen, zowel vanwege hun hogere evolutionaire leeftijd (ongeveer 3,5 miljard jaar, vs. ongeveer 1,5 miljard voor prokaryoten) en hun eenvoud. Dit is echter om een aantal redenen misleidend. Een daarvan is dat, puur vanuit het oogpunt van het overleven van soorten, complexer niet noodzakelijkerwijs robuuster betekent; naar alle waarschijnlijkheid zullen bacteriën als groep langer meegaan dan mensen en andere "hogere" organismen zodra de omstandigheden op aarde voldoende veranderen. Een tweede reden is dat bacteriële cellen, hoewel eenvoudig, een verscheidenheid aan krachtige overlevingsmechanismen hebben ontwikkeld die eukaryoten niet hebben.
Een bacteriële celprimer
Bacteriële cellen zijn er in drie basisvormen: staafvormig (de bacillen), rond (kokken) en spiraalvormig (spirilli). Deze morfologische bacteriecelkenmerken kunnen handig zijn bij het diagnosticeren van infectieziekten veroorzaakt door bekende bacteriën. Bijvoorbeeld, "keelontsteking" wordt veroorzaakt door soort van Streptokokken, die, zoals de naam al aangeeft, rond zijn, net als Stafylokokken. Miltvuur wordt veroorzaakt door een grote bacil en de ziekte van Lyme wordt veroorzaakt door een spirocheet, die spiraalvormig is. Naast de verschillende vormen van individuele cellen, worden bacteriële cellen meestal gevonden in clusters, waarvan de structuur varieert afhankelijk van de soort in kwestie. Sommige staafjes en kokken groeien in lange ketens, terwijl bepaalde andere kokken worden aangetroffen in clusters die enigszins doen denken aan de vorm van individuele cellen.
De meeste bacteriële cellen kunnen, in tegenstelling tot virussen, onafhankelijk van andere organismen leven en zijn niet afhankelijk van andere levende wezens voor metabolische of reproductieve behoeften. Er zijn echter uitzonderingen; sommige soorten Rickettsiae en Chlamydiae zijn verplicht intracellulair, wat betekent dat ze geen andere keuze hebben dan de cellen van levende wezens te bewonen om te overleven.
Het ontbreken van een celkern in bacteriële cellen is de reden waarom prokaryotische cellen oorspronkelijk werden onderscheiden eukaryote cellen, aangezien dit verschil zelfs onder microscopen met een relatief lage vergroting duidelijk is macht. Bacterieel DNA, hoewel niet omgeven door een kernmembraan zoals dat van eukaryoten, heeft niettemin de neiging om dicht bij elkaar te clusteren, en de resulterende ruwe vorming wordt een nucleoïde genoemd. Er is in het algemeen aanzienlijk minder DNA in bacteriële cellen dan in eukaryote cellen; als het van begin tot eind wordt uitgerekt, zou een enkele kopie van het genetische materiaal van de typische eukaryrot, of chromatine, zich uitstrekken tot ongeveer 1 millimeter, terwijl die van een bacterie ongeveer 1 tot 2 micrometer zou zijn - een 500- tot 1.000-voudige verschil. Het genetische materiaal van eukaryoten omvat zowel DNA zelf als eiwitten die histonen worden genoemd, terwijl prokaryotisch DNA een paar polyaminen (stikstofverbindingen) en magnesiumionen bevat.
De bacteriële celwand
Misschien wel het meest voor de hand liggende structurele verschil tussen bacteriële cellen en andere cellen is het feit dat bacteriën celwanden hebben. Deze muren, gemaakt van peptidoglycaan moleculen, liggen net buiten het celmembraan, waarin alle soorten cellen voorkomen. Peptidoglycanen bestaan uit een combinatie van polysacharidesuikers en eiwitcomponenten; hun belangrijkste taak is om bescherming en stijfheid aan de bacteriën toe te voegen en een verankeringspunt te bieden voor structuren zoals: pili en flagella, die hun oorsprong vinden in het celmembraan en zich door de celwand naar de externe omgeving uitstrekken.
Als je een microbioloog was die in een voorbije eeuw opereerde en een medicijn zou willen maken dat gevaarlijk zou zijn voor bacteriële cellen, terwijl het meestal onschadelijk is voor menselijke cellen, en kennis zou hebben van de respectievelijke structuren van de celsamenstelling van deze organismen, kunt u dit doen door stoffen te ontwerpen of te vinden die giftig zijn voor celwanden, terwijl u andere cellen spaart componenten. In feite is dit precies hoe veel antibiotica werken: ze richten zich op de celwanden van bacteriën en vernietigen ze, waardoor de bacteriën worden gedood. penicillines, die in het begin van de jaren veertig opkwam als de eerste klasse antibiotica, werkt door remming van de synthese van de peptidoglycanen die de celwanden vormen van sommige, maar niet alle, bacteriën. Ze doen dit door een enzym te inactiveren dat een proces katalyseert dat verknoping wordt genoemd in gevoelige bacteriën. In de loop der jaren heeft de toediening van antibiotica gekozen voor bacteriën die toevallig stoffen produceren die bètalactamasen worden genoemd en die zich richten op de "binnenvallende" penicillines. Zo blijft er een langdurige en nooit eindigende "wapenwedloop" tussen antibiotica en hun kleine, ziekteverwekkende doelen.
Flagella, Pili en Endosporen
Sommige bacteriën hebben externe structuren die de bacteriën helpen bij hun navigatie door de fysieke wereld. Bijvoorbeeld, flagella (enkelvoud: flagellum) zijn zweepachtige aanhangsels die een voortbewegingsmiddel vormen voor bacteriën die ze bezitten, vergelijkbaar met die van kikkervisjes. Soms worden ze aan het ene uiteinde van een bacteriecel gevonden; sommige bacteriën hebben ze aan beide uiteinden. De flagella "klopt" net als een propeller, waardoor bacteriën voedingsstoffen kunnen "jagen", "ontsnappen" aan giftige chemicaliën of naar het licht gaan (sommige bacteriën, genaamd cyanobacteriën, vertrouwen op fotosynthese voor energie zoals planten doen en vereisen daarom regelmatige blootstelling aan licht).
Pili (enkelvoud: pilus), zijn structureel vergelijkbaar met flagella, omdat het haarachtige uitsteeksels zijn die zich naar buiten uitstrekken vanaf het bacteriële celoppervlak. Hun functie is echter anders. In plaats van te helpen bij de voortbeweging, helpen pili bacteriën zich te hechten aan andere cellen en oppervlakken van verschillende samenstellingen, waaronder stenen, je darmen en zelfs het glazuur van je tanden. Met andere woorden, ze bieden "kleverigheid" aan bacteriën op de manier waarop de karakteristieke schelpen van zeepokken deze organismen in staat stellen zich aan rotsen te hechten. Zonder pili zijn veel pathogene (d.w.z. ziekteverwekkende) bacteriën niet infectieus, omdat ze zich niet kunnen hechten aan gastheerweefsels. Een gespecialiseerd type pili wordt gebruikt voor een proces genaamd conjugatie, waarin twee bacteriën delen van DNA uitwisselen.
Een nogal duivelse constructie van bepaalde bacteriën zijn endosporen. Bacil en Clostridium soorten kunnen deze sporen produceren, die zeer hittebestendige, gedehydrateerde en inactieve versies zijn van normale bacteriële cellen die in de cellen worden aangemaakt. Ze bevatten hun eigen complete genoom en alle metabole enzymen. Het belangrijkste kenmerk van de endospore is de complexe beschermende sporenlaag. De ziekte botulisme wordt veroorzaakt door een Clostridium botulinum endospore, die een dodelijke stof afscheidt die endotoxine wordt genoemd.
Bacteriële reproductie
Bacteriën produceren door een proces dat binaire splitsing wordt genoemd, wat simpelweg betekent dat ze in tweeën worden gesplitst en een paar cellen creëren die elk genetisch identiek zijn aan de oudercel. Deze ongeslachtelijke vorm van voortplanting staat in schril contrast met de voortplanting van eukaryoten, die seksueel in dat het twee ouderorganismen betreft die een gelijke hoeveelheid genetisch materiaal bijdragen om een nakomelingen. Hoewel seksuele reproductie aan de oppervlakte misschien omslachtig lijkt - waarom zou je tenslotte deze energetisch kostbare stap introduceren als cellen in plaats daarvan gewoon in tweeën kunnen splitsen? – het is een absolute garantie voor genetische diversiteit, en dit soort diversiteit is essentieel voor het overleven van soorten.
Denk er eens over na: als elk mens genetisch identiek of zelfs dichtbij zou zijn, vooral op het niveau van enzymen en eiwitten die je niet kunt zien maar die vitale metabolische functies dienen, dan zou een enkel type biologische tegenstander voldoende zijn om mogelijk alles uit te roeien mensheid. U weet al dat mensen verschillen in hun genetische gevoeligheid voor bepaalde dingen, van de belangrijkste (sommige mensen kunnen overlijden door blootstelling aan kleine blootstelling aan allergenen, waaronder pinda's en bijengif) tot het relatief triviale (sommige mensen kunnen de suikerlactase niet verteren, waardoor ze geen zuivelproducten kunnen consumeren zonder ernstige verstoringen van hun maagdarmkanaal systemen). Een soort met een grote genetische diversiteit is grotendeels beschermd tegen uitsterven, omdat deze diversiteit de grondstof biedt waarop gunstige natuurlijke selectiedruk kan inwerken. Als 10 procent van de populatie van een bepaalde soort immuun is voor een bepaald virus dat de soort nog moet ervaren, is dit slechts een gril. Als het virus zich daarentegen in deze populatie manifesteert, zal het niet lang duren voordat dit toeval 10 procent vertegenwoordigt 100 procent van de overlevende organismen in deze soort.
Als gevolg hiervan hebben bacteriën een aantal methoden ontwikkeld om genetische diversiteit te waarborgen. Waaronder transformatie, vervoeging en transductie. Niet alle bacteriecellen kunnen gebruik maken van al deze processen, maar samen zorgen ze ervoor dat alle bacteriesoorten in veel grotere mate kunnen overleven dan ze anders zouden doen.
Transformatie is het proces van het opnemen van DNA uit de omgeving en is onderverdeeld in natuurlijke en kunstmatige vormen. Bij natuurlijke transformatie wordt DNA van dode bacteriën geïnternaliseerd via het celmembraan, in scavenger-stijl, en opgenomen in het DNA van de overlevende bacteriën. Bij kunstmatige transformatie introduceren wetenschappers vaak opzettelijk DNA in een gastheerbacterie e. coli (omdat deze soort een klein, eenvoudig genoom heeft dat gemakkelijk te manipuleren is) om deze organismen te bestuderen of een gewenst bacterieel product te creëren. Vaak is het geïntroduceerde DNA van a plasmide, een natuurlijk voorkomende ring van bacterieel DNA.
Conjugatie is het proces waarbij een bacterie een pilus of pili gebruikt om via direct contact DNA in een tweede bacterie te "injecteren". Het overgedragen DNA kan, net als bij kunstmatige transformatie, een plasmide zijn of een ander fragment. Het nieuw geïntroduceerde DNA kan een vitaal gen bevatten dat codeert voor eiwitten die antibioticaresistentie mogelijk maken.
Ten slotte is transductie afhankelijk van de aanwezigheid van een binnenvallend virus dat een bacteriofaag wordt genoemd. Virussen zijn afhankelijk van levende cellen om te repliceren, omdat ze, hoewel ze genetisch materiaal bezitten, niet over de machine beschikken om er kopieën van te maken. Deze bacteriofagen plaatsen hun eigen genetisch materiaal in het DNA van de bacteriën die ze binnendringen en sturen de bacteriën om meer fagen te maken, waarvan de genomen dan een mix bevatten van het originele bacteriële DNA en de bacteriofaag DNA. Wanneer deze nieuwe bacteriofagen de cel verlaten, kunnen ze andere bacteriën binnendringen en het DNA dat is verkregen van de vorige gastheer naar de nieuwe bacteriële cel overbrengen.