Kjennetegn ved en bakteriecelle

Celler er de grunnleggende enhetene i livet, og som sådan er de minste forskjellige elementene i levende ting som beholder hele nøkkelen egenskaper forbundet med levende ting, inkludert metabolisme, evnen til å reprodusere og et middel for å opprettholde kjemikalier balansere. Celler er det heller prokaryotisk, et begrep som refererer til bakterier og en smattering av encellede organismer, eller eukaryotisk, som refererer til planter, sopp og dyr.

Bakterielle og andre prokaryote celler er langt enklere på nesten alle måter enn deres eukaryote kolleger. Alle celler inkluderer i det minste en plasmamembran, cytoplasma og genetisk materiale i form av DNA. Mens eukaryote celler har et bredt utvalg av elementer utover disse essensielle, utgjør disse tre tingene nesten hele bakterieceller. Bakterieceller inkluderer imidlertid noen få funksjoner som eukaryote celler nei ikke, spesielt en cellevegg.

En enkelt eukaryot organisme kan ha billioner celler, selv om gjær er encellulær; bakterieceller, derimot, har bare en celle. Mens eukaryote celler inkluderer en rekke membranbundne organeller, slik som kjernen, mitokondriene (hos dyr), kloroplaster (plantens svar på mitokondrier), Golgi-legemer, det endoplasmatiske retikulum og lysosomer, bakterieceller har ingen organeller. Både eukaryoter og prokaryoter inkluderer ribosomer, de små strukturene som er ansvarlige for proteinsyntese, men disse er vanligvis lettere visualisert i eukaryoter fordi så mange av dem samles langs det lineære, båndlignende endoplasmatiske retikulum.

Det er lett å betrakte bakterieceller og selve bakteriene som "primitive", på grunn av både deres større evolusjonsalder (ca. 3,5 milliarder år, vs. ca 1,5 milliarder kroner for prokaryoter) og deres enkelhet. Dette er imidlertid misvisende av flere grunner. Den ene er at, fra det blotte synspunktet om artsoverlevelse, betyr mer kompleks ikke nødvendigvis mer robust; etter all sannsynlighet vil bakterier som gruppe overleve mennesker og andre "høyere" organismer når forholdene på jorden endres tilstrekkelig. En annen grunn er at bakterieceller, selv om de er enkle, har utviklet en rekke potente overlevelsesmekanismer som eukaryoter ikke har.

Bakterieceller kommer i tre grunnleggende former: stavlignende (basiller), runde (kokker) og spiralformede (spiriller). Disse morfologiske bakteriecelleegenskapene kan være nyttige ved diagnostisering av smittsomme sykdommer forårsaket av kjente bakterier. For eksempel er "strep hals" årsaker av arter av Streptokokker, som, som navnet antyder, er runde, som de er Stafylokokker. Miltbrann er forårsaket av en stor basille, og Lyme-sykdommen er forårsaket av en spirochete, som er spiralformet. I tillegg til de forskjellige former for individuelle celler, har bakterieceller en tendens til å bli funnet i klynger, hvis struktur varierer avhengig av arten det gjelder. Noen stenger og kokker vokser i lange kjeder, mens visse andre kokker er funnet i klynger som minner om formen til individuelle celler.

De fleste bakterieceller kan, i motsetning til virus, leve uavhengig av andre organismer, og er ikke avhengige av andre levende ting for metabolske eller reproduktive behov. Unntak eksisterer imidlertid; noen arter av Rickettsiae og Chlamydiae er obligatorisk intracellulære, noe som betyr at de ikke har noe annet valg enn å bo i cellene til levende ting for å overleve.

Bakterieceller mangler en kjerne er grunnen til at prokaryote celler opprinnelig ble skilt fra eukaryote celler, da denne forskjellen er tydelig selv under mikroskop med relativt lav forstørrelse makt. Bakterielt DNA, selv om det ikke er omgitt av en kjernefysisk membran som eukaryoter, har likevel en tendens til å samles tett, og den resulterende grove formasjonen kalles en nukleoid. Det er betydelig mindre DNA totalt sett i bakterieceller enn i eukaryote celler; hvis strukket ende til slutt, ville en enkelt kopi av det typiske eukaryrote genetiske materialet, eller kromatin, strekke seg til omtrent 1 millimeter, mens bakterien vil strekke seg fra 1 til 2 mikrometer - 500 til 1000 ganger forskjell. Det genetiske materialet til eukaryoter inkluderer både DNA i seg selv og proteiner som kalles histoner, mens prokaryot DNA har noen få polyaminer (nitrogenforbindelser) og magnesiumioner knyttet til seg.

Den kanskje mest åpenbare strukturelle forskjellen mellom bakterieceller og andre celler er det faktum at bakterier har cellevegger. Disse veggene, laget av peptidoglykan molekyler, ligger like utenfor cellemembranen, hvilke celler av alle typer har. Peptidoglykaner består av en kombinasjon av polysakkaridsukker og proteinkomponenter; deres viktigste jobb er å gi bakteriene beskyttelse og stivhet og tilby et forankringspunkt for strukturer som pili og flagella, som har sitt utspring i cellemembranen og strekker seg gjennom celleveggen til det ytre miljøet.

Hvis du var en mikrobiolog som opererte i et svunnen århundre og ønsket å lage et medikament som ville være farlig for bakterieceller mens det for det meste var ufarlig for menneskelige celler, og hadde kunnskap om de respektive strukturene til disse organismenes cellulære sammensetning, kan du gå fram til dette ved å designe eller finne stoffer som er giftige for cellevegger mens du sparer andre celler komponenter. Faktisk er det nettopp slik mange antibiotika fungerer: De målretter og ødelegger bakteriecelleveggene og dreper bakteriene som et resultat. Penicilliner, som dukket opp på begynnelsen av 1940-tallet som den første antibiotikaklassen, virker ved å hemme syntesen av peptidoglykanene som utgjør celleveggene til noen, men ikke alle, bakterier. De gjør dette ved å inaktivere et enzym som katalyserer en prosess som kalles tverrbinding i følsomme bakterier. Gjennom årene har administrering av antibiotika valgt for bakterier som tilfeldigvis produserer stoffer som kalles beta-laktamaser, som er rettet mot de "invaderende" penicillinene. Dermed forblir et langvarig og uendelig "våpenkappløp" i kraft mellom antibiotika og deres små, sykdomsfremkallende mål.

Noen bakterier har eksterne strukturer som hjelper bakteriene i deres navigering av den fysiske verden. For eksempel, flagella (entall: flagellum) er pisklignende vedheng som gir et middel for bevegelse for bakterier som har dem, i likhet med kulefugler. Noen ganger blir de funnet i den ene enden av en bakteriecelle; noen bakterier har dem i begge ender. Flagellen "slo" omtrent som en propell gjør, slik at bakterier kan "jage" næringsstoffer, "rømme" fra giftige kjemikalier eller bevege seg mot lys (noen bakterier, kalt cyanobakterier, stole på fotosyntese for energi som planter gjør og krever derfor regelmessig eksponering for lys).

Pili (entall: pilus), er strukturelt lik flageller, ettersom de er hårlignende fremspring som strekker seg utover fra bakteriecelleoverflaten. Deres funksjon er imidlertid annerledes. I stedet for å hjelpe til med bevegelse, hjelper pili bakterier å feste seg til andre celler og overflater av forskjellige sammensetninger, inkludert bergarter, tarmene og til og med emaljen på tennene. Med andre ord, de tilbyr "klebrighet" til bakterier på den måten de karakteristiske skjellene av fugler gir disse organismerne å feste seg til bergarter. Uten pili er mange patogene (dvs. sykdomsfremkallende) bakterier ikke smittsomme, fordi de ikke kan feste seg til vertsvevet. En spesialisert type pili brukes til en prosess som kalles bøyning, hvor to bakterier utveksler deler av DNA.

En ganske djevelsk konstruksjon av visse bakterier er endosporer. Bacillus og Clostridium arter kan produsere disse sporene, som er svært varmebestandige, dehydrert og inaktive versjoner av normale bakterieceller som er opprettet inne i cellene. De inneholder sitt eget komplette genom og alle metabolske enzymer. Nøkkelfunksjonen til endosporen er dens komplekse beskyttende sporepels. Sykdommen botulisme er forårsaket av en Clostridium botulinum endospore, som utskiller et dødelig stoff som kalles endotoksin.

Bakterier produseres ved en prosess som kalles binær fisjon, som ganske enkelt betyr å dele seg i to og lage et par celler som hver er genetisk identiske med foreldercellen. Denne aseksuelle formen for reproduksjon står i skarp kontrast til reproduksjonen av eukaryoter, som er seksuell i at det involverer to foreldreorganismer som bidrar med like mye genetisk materiale for å skape et avkom. Mens seksuell reproduksjon på overflaten kan virke tungvint - tross alt, hvorfor introdusere dette energisk kostbare trinnet hvis celler bare kan dele seg i to i stedet? - det er en absolutt forsikring om genetisk mangfold, og denne typen mangfold er avgjørende for artsoverlevelse.

Tenk på det: Hvis hvert menneske var genetisk identisk eller til og med nær, spesielt på nivå av enzymer og proteiner kan du ikke se men som tjener viktige metabolske funksjoner, vil en enkelt type biologisk motstander være tilstrekkelig til å utslette alt menneskeheten. Du vet allerede at mennesker er forskjellige i deres genetiske mottakelighet for visse ting, fra de viktigste (noen mennesker kan dø av eksponering for små eksponeringer for allergener, inkludert peanøtter og biegift) til det relativt trivielle (noen mennesker kan ikke fordøye sukkerlaktasen, noe som gjør dem i stand til å konsumere meieriprodukter uten alvorlige forstyrrelser i mage-tarmkanalen. systemer). En art som nyter mye genetisk mangfold er i stor grad beskyttet mot utryddelse, fordi dette mangfoldet gir råmaterialet som gunstige naturlige seleksjonspress kan virke på. Hvis 10 prosent av befolkningen i en gitt art tilfeldigvis er immun mot et bestemt virus som arten ennå ikke har opplevd, er dette bare en finurlighet. Hvis viruset derimot manifesterer seg i denne populasjonen, kan det ikke ta lang tid før denne tilfeldigheten representerer 10 prosent 100 prosent av overlevende organismer i denne arten.

Som et resultat har bakterier utviklet en rekke metoder for å sikre genetisk mangfold. Disse inkluderer transformasjon, konjugasjon og transduksjon. Ikke alle bakterieceller kan benytte seg av alle disse prosessene, men mellom dem lar de alle bakteriearter overleve i langt større grad enn de ellers ville gjort.

Transformasjon er prosessen med å ta opp DNA fra miljøet, og det er delt inn i naturlige og kunstige former. I naturlig transformasjon blir DNA fra døde bakterier internalisert via cellemembranen, rensemiddel og innlemmet i DNAet til de overlevende bakteriene. I kunstig transformasjon introduserer forskere med vilje DNA i en vertsbakterie, ofte E. coli (fordi denne arten har et lite, enkelt genom som lett kan manipuleres) for å studere disse organismer eller lage et ønsket bakterieprodukt. Ofte er det introduserte DNAet fra en plasmid, en naturlig forekommende ring av bakterielt DNA.

Konjugering er prosessen der en bakterie bruker en pilus eller pili for å "injisere" DNA i en annen bakterie via direkte kontakt. Det overførte DNA kan, som med kunstig transformasjon, være et plasmid eller det kan være et annet fragment. Det nylig introduserte DNA kan inneholde et vitalt gen som koder for proteiner som muliggjør antibiotikaresistens.

Til slutt er transduksjon avhengig av tilstedeværelsen av et invaderende virus kalt bakteriofag. Virus er avhengige av at levende celler replikerer seg, selv om de har genetisk materiale, mangler de maskiner for å lage kopier av det. Disse bakteriofagene plasserer sitt eget genetiske materiale i DNA av bakteriene de invaderer og styrer bakterier for å lage flere fager, hvis genomer deretter inneholder en blanding av det opprinnelige bakterielle DNA og bakteriofag-DNA. Når disse nye bakteriofagene forlater cellen, kan de invadere andre bakterier og overføre DNA ervervet fra den forrige verten til den nye bakteriecellen.