Charakterystyka komórki bakteryjnej

Komórki są podstawowymi jednostkami życia i jako takie są najmniejszymi odrębnymi elementami żywych istot, które zachowują cały klucz właściwości związane z żywymi organizmami, w tym metabolizm, zdolność do rozmnażania i środki utrzymania chemicznego saldo. Komórki są albo prokariotyczny, termin odnoszący się do bakterii i niewielkiej liczby organizmów jednokomórkowych, lub eukariotyczny, co odnosi się do roślin, grzybów i zwierząt.

Komórki bakteryjne i inne komórki prokariotyczne są znacznie prostsze pod niemal każdym względem niż ich odpowiedniki eukariotyczne. Wszystkie komórki zawierają co najmniej błonę plazmatyczną, cytoplazmę i materiał genetyczny w postaci DNA. Chociaż komórki eukariotyczne zawierają szeroką gamę elementów wykraczających poza te podstawowe, te trzy rzeczy stanowią prawie całość komórek bakteryjnych. Komórki bakteryjne mają jednak kilka cech, których komórki eukariotyczne nie, w szczególności ścianę komórkową.

Pojedynczy organizm eukariotyczny może mieć biliony komórek, chociaż drożdże są jednokomórkowe; Z drugiej strony komórki bakteryjne mają tylko jedną komórkę. Podczas gdy komórki eukariotyczne obejmują różne organelle związane z błoną, takie jak jądro, mitochondria (u zwierząt), chloroplasty (odpowiedź roślin na mitochondria), ciałka Golgiego, retikulum endoplazmatyczne i lizosomy, komórki bakteryjne nie mają organelle. Zarówno eukarionty, jak i prokarionty zawierają rybosomy, maleńkie struktury odpowiedzialne za syntezę białek, ale są to zazwyczaj łatwiej wizualizuje się u eukariontów, ponieważ tak wiele z nich skupia się wzdłuż liniowej, przypominającej wstęgę endoplazmatycznej retikulum.

Łatwo jest uznać komórki bakteryjne i same bakterie za „prymitywne”, zarówno ze względu na ich wyższy wiek ewolucyjny (około 3,5 miliarda lat, w porównaniu z około 1,5 miliarda dla prokariontów) i ich prostota. Jest to jednak mylące z wielu powodów. Jednym z nich jest to, że z samego punktu widzenia przetrwania gatunku bardziej złożony niekoniecznie oznacza bardziej wytrzymały; najprawdopodobniej bakterie jako grupa przetrwają ludzi i inne „wyższe” organizmy, gdy warunki na Ziemi dostatecznie się zmienią. Drugim powodem jest to, że komórki bakteryjne, choć proste, wyewoluowały szereg silnych mechanizmów przetrwania, których nie mają eukarionty.

Komórki bakteryjne mają trzy podstawowe kształty: pręcik (bacilli), okrągły (cocci) i spiralny (spirilli). Te cechy morfologiczne komórek bakteryjnych mogą być przydatne w diagnozowaniu chorób zakaźnych wywoływanych przez znane bakterie. Na przykład „paciorkowiec” jest spowodowany przez gatunki Paciorkowce, które, jak sama nazwa wskazuje, są okrągłe, podobnie jak Gronkowce. Wąglika wywołuje duża pałeczka, a boreliozę wywołuje krętek, który ma kształt spirali. Oprócz różnych kształtów poszczególnych komórek, komórki bakteryjne mają tendencję do znajdowania się w skupiskach, których struktura różni się w zależności od danego gatunku. Niektóre pałeczki i ziarniaki rosną w długich łańcuchach, podczas gdy inne ziarniaki znajdują się w skupiskach przypominających kształtem poszczególne komórki.

Większość komórek bakteryjnych może, w przeciwieństwie do wirusów, żyć niezależnie od innych organizmów i nie jest zależna od innych żywych organizmów pod względem potrzeb metabolicznych lub reprodukcyjnych. Istnieją jednak wyjątki; niektóre gatunki Rickettsiae i Chlamydiae są bezwzględnie wewnątrzkomórkowe, co oznacza, że ​​nie mają innego wyjścia, jak zamieszkiwać komórki żywych istot, aby przetrwać.

Brak jądra komórkowego komórek bakteryjnych jest powodem, dla którego pierwotnie odróżniono komórki prokariotyczne od komórki eukariotyczne, ponieważ ta różnica jest widoczna nawet pod mikroskopami o stosunkowo małym powiększeniu moc. Bakteryjne DNA, chociaż nie jest otoczone błoną jądrową, taką jak u eukariontów, ma jednak tendencję do skupiania się blisko siebie, a powstałe w ten sposób szorstkie formacje nazywane są nukleoidami. Ogólnie w komórkach bakteryjnych jest znacznie mniej DNA niż w komórkach eukariotycznych; gdyby rozciągnięty od końca do końca, pojedyncza kopia materiału genetycznego typowego eukariota lub chromatyny rozciągnęłaby się do około 1 milimetra, podczas gdy bakteria rozciągałaby się na około 1 do 2 mikrometrów – 500- do 1000-krotnie różnica. Materiał genetyczny eukariontów zawiera zarówno sam DNA, jak i białka zwane histonami, podczas gdy DNA prokariotyczne ma kilka związanych z nim poliamin (związków azotu) i jonów magnezu.

Być może najbardziej oczywistą różnicą strukturalną między komórkami bakteryjnymi a innymi komórkami jest fakt, że bakterie posiadają ściany komórkowe. Te ściany, zrobione z peptydoglikan molekuły leżą tuż poza błoną komórkową, którą charakteryzują się wszystkie typy komórek. Peptydoglikany składają się z kombinacji cukrów polisacharydowych i składników białkowych; ich głównym zadaniem jest zapewnienie bakteriom ochrony i sztywności oraz zapewnienie punktu zakotwiczenia dla konstrukcji takich jak: włosie i wici, które powstają w błonie komórkowej i rozciągają się przez ścianę komórkową do środowiska zewnętrznego.

Gdybyś był mikrobiologiem działającym w minionym stuleciu i chciałbyś stworzyć lek, który byłby niebezpieczny dla komórek bakteryjnych, a w większości nieszkodliwy dla komórek ludzkich, i miałbyś wiedzę na temat odpowiednie struktury składu komórkowego tych organizmów, możesz zająć się tym, projektując lub znajdując substancje, które są toksyczne dla ścian komórkowych, jednocześnie oszczędzając inne komórki składniki. W rzeczywistości tak właśnie działa wiele antybiotyków: celują w ściany komórkowe bakterii i niszczą je, w wyniku czego bakterie są zabijane. Penicyliny, który pojawił się na początku lat 40. jako pierwsza klasa antybiotyków, działa poprzez hamowanie syntezy peptydoglikanów, które tworzą ściany komórkowe niektórych, ale nie wszystkich bakterii. Robią to poprzez dezaktywację enzymu, który katalizuje proces zwany sieciowaniem u podatnych bakterii. Przez lata podawanie antybiotyków prowadziło do selekcji bakterii, które produkują substancje zwane beta-laktamazami, których celem są „inwazyjne” penicyliny. W ten sposób trwa długotrwały i niekończący się „wyścig zbrojeń” między antybiotykami a ich maleńkimi, chorobotwórczymi celami.

Niektóre bakterie posiadają zewnętrzne struktury, które pomagają im poruszać się po świecie fizycznym. Na przykład, wici (liczba pojedyncza: wici) to wyrostki przypominające bicz, które zapewniają środek lokomocji dla bakterii, które je posiadają, podobnie jak kijanki. Czasami znajdują się na jednym końcu komórki bakteryjnej; niektóre bakterie mają je na obu końcach. Wici „biją” podobnie jak śmigło, pozwalając bakteriom „ścigać” składniki odżywcze, „uciekać” przed toksycznymi chemikaliami lub poruszać się w kierunku światła (niektóre bakterie, zwane cyjanobakteria, polegaj na fotosyntezie energii, tak jak robią to rośliny, a zatem wymagają regularnej ekspozycji na światło).

Pili (liczba pojedyncza: pilus), są strukturalnie podobne do wici, ponieważ są włoskowatymi wypustkami wystającymi na zewnątrz z powierzchni komórki bakteryjnej. Ich funkcja jest jednak inna. Zamiast pomagać w poruszaniu się, pilusy pomagają bakteriom przyczepiać się do innych komórek i powierzchni o różnym składzie, w tym skał, jelit, a nawet szkliwa zębów. Innymi słowy, zapewniają "lepkość" bakteriom w taki sposób, w jaki charakterystyczne muszle pąkli pozwalają tym organizmom przylegać do skał. Bez pilusów wiele patogennych (tj. powodujących choroby) bakterii nie jest zakaźnych, ponieważ nie mogą przylegać do tkanek gospodarza. W procesie zwanym koniugacja, w którym dwie bakterie wymieniają części DNA.

Dość diabolicznym konstruktem niektórych bakterii są endospory. Bakcyl i Clostridium Gatunki mogą wytwarzać te zarodniki, które są wysoce odpornymi na ciepło, odwodnionymi i nieaktywnymi wersjami normalnych komórek bakteryjnych, które są tworzone wewnątrz komórek. Zawierają własny kompletny genom i wszystkie enzymy metaboliczne. Kluczową cechą endospora jest jego złożona ochronna powłoka zarodnikowa. Zatrucie jadem kiełbasianym jest spowodowane przez Clostridium botulinum endospora, która wydziela śmiertelną substancję zwaną endotoksyną.

Bakterie produkują w procesie zwanym rozszczepieniem binarnym, co oznacza po prostu rozszczepienie na pół i utworzenie pary komórek, z których każda jest genetycznie identyczna z komórką rodzicielską. Ta bezpłciowa forma rozmnażania jest w ostrym kontraście z rozmnażaniem eukariontów, które jest rozmnażaniem płciowym że obejmuje dwa organizmy rodzicielskie wnoszące równą ilość materiału genetycznego do stworzenia potomstwo. Podczas gdy rozmnażanie płciowe na powierzchni może wydawać się uciążliwe – w końcu po co wprowadzać ten energetycznie kosztowny krok, jeśli zamiast tego komórki mogą po prostu podzielić się na pół? – jest to absolutna pewność różnorodności genetycznej, a ta różnorodność jest niezbędna do przetrwania gatunku.

Pomyśl o tym: gdyby każdy człowiek był genetycznie identyczny lub nawet zbliżony, zwłaszcza na poziomie enzymów i białek, których nie możesz zobaczyć ale które służą istotnym funkcjom metabolicznym, jeden rodzaj biologicznego przeciwnika byłby wystarczający, aby potencjalnie wymazać wszystko ludzkość. Wiesz już, że ludzie różnią się pod względem genetycznej podatności na pewne rzeczy, od głównych (niektórzy ludzie mogą umrzeć z powodu niewielkiej ekspozycji na alergeny, w tym orzeszki ziemne i jad pszczeli) do stosunkowo błahych (niektórzy ludzie nie mogą trawić laktazy cukrowej, co uniemożliwia im spożywanie produktów mlecznych bez poważnych zaburzeń żołądkowo-jelitowych systemy). Gatunek, który cieszy się dużą różnorodnością genetyczną, jest w dużej mierze chroniony przed wyginięciem, ponieważ różnorodność ta oferuje surowiec, na który może działać korzystna presja selekcji naturalnej. Jeśli 10 procent populacji danego gatunku jest odpornych na pewien wirus, którego gatunek jeszcze nie doświadczył, jest to zwykłe dziwactwo. Z drugiej strony, jeśli wirus zamanifestuje się w tej populacji, może to nie potrwać długo, 10 procent stanowi 100 procent organizmów, które przeżyły tego gatunku.

W rezultacie bakterie wykształciły szereg metod zapewniających różnorodność genetyczną. Obejmują one transformacja, koniugacja i transdukcja. Nie wszystkie komórki bakteryjne potrafią wykorzystać wszystkie te procesy, ale między nimi umożliwiają przeżycie wszystkim gatunkom bakterii w znacznie większym stopniu niż w innym przypadku.

Transformacja to proces pobierania DNA ze środowiska i dzieli się na formy naturalne i sztuczne. W naturalnej transformacji DNA z martwych bakterii jest internalizowane przez błonę komórkową w stylu zmiatacza i włączane do DNA bakterii, które przeżyły. W sztucznej transformacji naukowcy często celowo wprowadzają DNA do bakterii żywiciela MI. coli (ponieważ gatunek ten ma mały, prosty genom, którym łatwo manipulować) w celu zbadania tych organizmów lub stworzenia pożądanego produktu bakteryjnego. Często wprowadzone DNA pochodzi z plazmid, naturalnie występujący pierścień bakteryjnego DNA.

Koniugacja to proces, w którym jedna bakteria wykorzystuje pilus lub pilus do „wstrzyknięcia” DNA do drugiej bakterii poprzez bezpośredni kontakt. Przekazywany DNA może, tak jak w przypadku sztucznej transformacji, być plazmidem lub może być innym fragmentem. Nowo wprowadzony DNA może zawierać ważny gen, który koduje białka umożliwiające oporność na antybiotyki.

Wreszcie transdukcja opiera się na obecności inwazyjnego wirusa zwanego bakteriofagiem. Wirusy polegają na replikacji żywych komórek, ponieważ chociaż posiadają materiał genetyczny, brakuje im maszynerii do tworzenia jego kopii. Te bakteriofagi umieszczają swój własny materiał genetyczny w DNA bakterii, które atakują i kierują bakterie wytwarzające więcej fagów, których genomy zawierają następnie mieszankę oryginalnego bakteryjnego DNA i DNA bakteriofaga. Kiedy te nowe bakteriofagi opuszczają komórkę, mogą atakować inne bakterie i przenosić DNA nabyte od poprzedniego gospodarza do nowej komórki bakteryjnej.