Caracteristicile unei celule bacteriene

Celulele sunt unitățile fundamentale ale vieții și, ca atare, sunt cele mai mici elemente distincte ale ființelor vii care păstrează toată cheia proprietăți asociate cu viețuitoarele, inclusiv metabolismul, capacitatea de reproducere și un mijloc de menținere a substanțelor chimice echilibru. Celulele sunt fie procariot, un termen care se referă la bacterii și la micșorarea unor organisme unicelulare sau eucariot, care se referă la plante, ciuperci și animale.

Celulele bacteriene și alte celule procariote sunt mult mai simple în aproape toate modurile decât omologii lor eucariote. Toate celulele includ cel puțin o membrană plasmatică, citoplasmă și material genetic sub formă de ADN. În timp ce celulele eucariote prezintă o mare varietate de elemente dincolo de aceste elemente esențiale, aceste trei lucruri reprezintă aproape întreaga celulă bacteriană. Cu toate acestea, celulele bacteriene includ câteva caracteristici pe care celulele eucariote nu, mai ales un perete celular.

Un singur organism eucariot poate avea trilioane de celule, deși drojdia este unicelulară; celulele bacteriene, pe de altă parte, au o singură celulă. Întrucât celulele eucariote includ o varietate de organite legate de membrană, cum ar fi nucleul, mitocondriile (la animale), cloroplaste (răspunsul plantelor la mitocondrii), corpurile Golgi, reticulul endoplasmatic și lizozomii, celulele bacteriene nu au organite. Atât eucariotele, cât și procariotele includ ribozomi, structurile minuscule responsabile de sinteza proteinelor, dar acestea sunt de obicei mai ușor de vizualizat în eucariote, deoarece atât de mulți dintre ei se grupează de-a lungul liniei endoplasmatice asemănătoare panglicii reticul.

Este ușor să considerăm celulele bacteriene și bacteriile în sine ca fiind „primitive”, datorită atât vârstei lor evolutive mai mari (aproximativ 3,5 miliarde de ani, vs. aproximativ 1,5 miliarde pentru procariote) și simplitatea lor. Totuși, acest lucru este înșelător din mai multe motive. Una este că, din punctul de vedere al supraviețuirii speciilor, mai complex nu înseamnă neapărat mai robust; după toate probabilitățile, bacteriile ca grup vor supraviețui oamenilor și altor organisme „superioare” odată ce condițiile de pe Pământ se vor schimba suficient. Un al doilea motiv este că celulele bacteriene, deși simple, au dezvoltat o varietate de mecanisme de supraviețuire puternice pe care nu le-au avut eucariotele.

Celulele bacteriene se prezintă în trei forme de bază: asemănătoare cu tija (bacilii), rotunzi (coci) și în formă de spirală (spirili). Aceste caracteristici ale celulelor bacteriene morfologice pot fi utile la diagnosticarea bolilor infecțioase cauzate de bacterii cunoscute. De exemplu, "streptococul" este cauzat de speciile de Streptococi, care, după cum sugerează și numele, sunt rotunde, așa cum sunt Stafilococi. Antraxul este cauzat de un bacil mare, iar boala Lyme este cauzată de un spirochet, care are formă de spirală. În plus față de formele variabile ale celulelor individuale, celulele bacteriene tind să se găsească în grupuri, a căror structură variază în funcție de specia în cauză. Unele tije și coci cresc în lanțuri lungi, în timp ce alți coci se găsesc în grupuri care amintesc oarecum de forma celulelor individuale.

Majoritatea celulelor bacteriene pot, spre deosebire de viruși, să trăiască independent de alte organisme și nu se bazează pe alte viețuitoare pentru nevoi metabolice sau reproductive. Cu toate acestea, există excepții; unele specii de Rickettsiae și Chlamydiae sunt intracelulare obligatoriu, ceea ce înseamnă că nu au altă opțiune decât să locuiască în celulele viețuitoarelor pentru a supraviețui.

Lipsa de nucleu a celulelor bacteriene este motivul pentru care celulele procariote au fost inițial distinse celule eucariote, deoarece această diferență este evidentă chiar și la microscopuri cu mărire relativ scăzută putere. ADN-ul bacterian, deși nu este înconjurat de o membrană nucleară ca cea a eucariotelor, tinde totuși să se aglomereze strâns, iar formarea dură rezultată este numită nucleoid. În general, ADN-ul este considerabil mai mic în celulele bacteriene decât în ​​celulele eucariote; dacă s-ar întinde cap la cap, o singură copie a materialului genetic tipic eucariot sau cromatină s-ar întinde până la aproximativ 1 milimetru, în timp ce cel al unei bacterii ar acoperi aproximativ 1 până la 2 micrometri - de 500 până la 1.000 de ori diferență. Materialul genetic al eucariotelor include atât ADN-ul în sine, cât și proteinele numite histone, în timp ce ADN-ul procariot are câteva poliamine (compuși de azot) și ioni de magneziu asociați acestuia.

Poate că cea mai evidentă diferență structurală dintre celulele bacteriene și alte celule este faptul că bacteriile posedă pereții celulari. Acești ziduri, făcute din peptidoglican molecule, se află chiar în afara membranei celulare, pe care o prezintă celulele de toate tipurile. Peptidoglicanii constau dintr-o combinație de zaharuri polizaharidice și componente proteice; sarcina lor principală este de a adăuga protecție și rigiditate bacteriilor și de a oferi un punct de ancorare pentru structuri precum pili și flageli, care își au originea în membrana celulară și se extind prin peretele celular până la mediul extern.

Dacă ați fi un microbiolog care a funcționat într-un secol trecut și ați dori să creați un medicament care ar fi periculos pentru celulele bacteriene, în timp ce este în mare parte inofensiv pentru celulele umane și ați avea cunoștințe despre structurilor respective ale compoziției celulare a acestor organisme, ați putea face acest lucru prin proiectarea sau găsirea substanțelor care sunt toxice pentru pereții celulari, în timp ce economisiți alte celule componente. De fapt, tocmai așa funcționează o mulțime de antibiotice: acestea vizează și distrug pereții celulari ai bacteriilor, ucigând astfel bacteriile. Peniciline, care a apărut la începutul anilor 1940 ca prima clasă de antibiotice, acționează prin inhibarea sintezei peptidoglicanilor care alcătuiesc pereții celulari ai unor bacterii, dar nu ale tuturor. Acestea fac acest lucru prin inactivarea unei enzime care catalizează un proces numit reticulare în bacteriile sensibile. De-a lungul anilor, administrarea de antibiotice a selectat bacteriile care se întâmplă să producă substanțe numite beta-lactamaze, care vizează penicilinele „invadatoare”. Astfel, o „cursă a înarmărilor” de lungă durată și fără sfârșit rămâne în vigoare între antibiotice și țintele lor minuscule, cauzatoare de boli.

Unele bacterii prezintă structuri externe care ajută bacteriile în navigarea lor în lumea fizică. De exemplu, flagel (singular: flagel) sunt apendicele asemănătoare cu biciul care oferă un mijloc de locomoție pentru bacteriile care le posedă, similar cu cel al mormolocilor. Uneori se găsesc la un capăt al unei celule bacteriene; unele bacterii le au la ambele capete. Flagelul „bate” la fel ca o elice, permițând bacteriilor să „alunge” substanțele nutritive, „să scape” de substanțele chimice toxice sau să se deplaseze spre lumină (unele bacterii, numite cianobacterii, mizează pe fotosinteză pentru energie, așa cum o fac plantele și necesită astfel o expunere regulată la lumină).

Pili (singular: pilus), sunt similare din punct de vedere structural cu flagelii, deoarece sunt proiecții asemănătoare părului care se extind spre exterior de la suprafața celulei bacteriene. Funcția lor este însă diferită. În loc să ajute la locomoție, pili ajută bacteriile să se atașeze de alte celule și suprafețe de diferite compoziții, inclusiv roci, intestine și chiar smalțul dinților. Cu alte cuvinte, acestea oferă „lipicios” bacteriilor în modul în care cojile caracteristice ale balanelor permit acestor organisme să adere la roci. Fără pili, multe bacterii patogene (adică cauzatoare de boli) nu sunt infecțioase, deoarece nu pot adera la țesuturile gazdă. Un tip specializat de pili este utilizat pentru un proces numit conjugare, în care două bacterii schimbă porțiuni de ADN.

Un construct destul de diabolic al anumitor bacterii sunt endosporii. Bacil și Clostridium speciile pot produce acești spori, care sunt versiuni foarte rezistente la căldură, deshidratate și inactive ale celulelor bacteriene normale care sunt create în interiorul celulelor. Acestea conțin propriul lor genom complet și toate enzimele metabolice. Caracteristica cheie a endosporului este acoperirea sa complexă de spori de protecție. Boala botulismului este cauzată de o Clostridium botulinum endospor, care secretă o substanță mortală numită endotoxină.

Bacteriile se produc printr-un proces numit fisiune binară, ceea ce înseamnă pur și simplu divizarea în jumătate și crearea unei perechi de celule care sunt identice din punct de vedere genetic cu celula părinte. Această formă asexuată de reproducere este în contrast puternic cu reproducerea eucariotelor, care este sexuală în că implică doi organisme părinte care contribuie la o cantitate egală de material genetic pentru a crea un descendenți. În timp ce reproducerea sexuală la suprafață poate părea greoaie - la urma urmei, de ce să introducem acest pas costisitor din punct de vedere energetic dacă celulele se pot împărți în două? - este o asigurare absolută a diversității genetice, iar acest tip de diversitate este esențial pentru supraviețuirea speciilor.

Gândiți-vă: dacă fiecare ființă umană ar fi genetic identică sau chiar apropiată, mai ales la nivelul enzimelor și proteinelor pe care nu le puteți vedea dar care îndeplinesc funcții metabolice vitale, atunci un singur tip de adversar biologic ar fi suficient pentru a șterge toate omenirea. Știți deja că oamenii diferă prin susceptibilitatea lor genetică la anumite lucruri, de la cele majore (unii oameni pot muri din cauza expunerii la expuneri mici la alergeni, inclusiv arahide și venin de albine) la cele relativ banale (unii oameni nu pot digera zahărul lactază, făcându-i incapabili să consume produse lactate fără întreruperi grave ale sistemului gastrointestinal sisteme). O specie care se bucură de o mare diversitate genetică este în mare parte protejată de dispariție, deoarece această diversitate oferă materia primă asupra căreia pot acționa presiuni de selecție naturală favorabile. Dacă 10 la sută din populația unei specii date se întâmplă să fie imună la un anumit virus pe care specia încă nu l-a experimentat, aceasta este o simplă ciudățenie. Dacă, pe de altă parte, virusul se manifestă în această populație, s-ar putea să nu treacă mult timp până când această întâmplare 10% reprezintă 100% din organismele supraviețuitoare din această specie.

Ca urmare, bacteriile au dezvoltat o serie de metode pentru asigurarea diversității genetice. Acestea includ transformare, conjugare și transducție. Nu toate celulele bacteriene pot folosi toate aceste procese, dar, între ele, permit tuturor speciilor bacteriene să supraviețuiască într-o măsură mult mai mare decât ar fi altfel.

Transformarea este procesul de preluare a ADN-ului din mediu și este împărțit în forme naturale și artificiale. În transformarea naturală, ADN-ul din bacteriile moarte este interiorizat prin membrana celulară, în stil scavenger, și încorporat în ADN-ul bacteriilor supraviețuitoare. În transformarea artificială, oamenii de știință introduc adesea ADN-ul într-o bacterie gazdă, adesea E. coli (deoarece această specie are un genom mic și simplu care este ușor de manipulat) pentru a studia aceste organisme sau pentru a crea un produs bacterian dorit. Adesea, ADN-ul introdus provine dintr-un plasmidă, un inel natural de ADN bacterian.

Conjugarea este procesul prin care o bacterie folosește un pilus sau un pili pentru a „injecta” ADN într-o a doua bacterie prin contact direct. ADN-ul transmis poate fi, ca și în cazul transformării artificiale, o plasmidă sau poate fi un fragment diferit. ADN-ul nou introdus poate include o genă vitală care codifică proteinele, permițând rezistența la antibiotice.

În cele din urmă, transducția se bazează pe prezența unui virus invadator numit bacteriofag. Virușii se bazează pe celulele vii pentru a se replica, deoarece, deși posedă material genetic, le lipsește echipamentul pentru a face copii ale acestuia. Acești bacteriofagi plasează propriul lor material genetic în ADN-ul bacteriilor pe care le invadează și îl conduc bacterii pentru a produce mai mulți fagi, ale căror genomi conțin apoi un amestec de ADN bacterian original și ADN bacteriofag. Atunci când acest nou bacteriofag părăsește celula, ei pot invada alte bacterii și pot transmite ADN-ul dobândit de la gazda anterioară în noua celulă bacteriană.