Характеристики бактериальной клетки

Клетки являются фундаментальными единицами жизни и, как таковые, представляют собой мельчайшие отдельные элементы живых существ, которые сохраняют все ключевые свойства, связанные с живыми существами, включая метаболизм, способность к воспроизводству и средства поддержания химических остаток средств. Клетки либо прокариотический, термин, относящийся к бактериям и небольшому количеству одноклеточных организмов, или эукариотический который относится к растениям, грибам и животным.

Бактериальные и другие прокариотические клетки намного проще почти во всех отношениях, чем их эукариотические аналоги. Все клетки как минимум включают плазматическую мембрану, цитоплазму и генетический материал в виде ДНК. В то время как эукариотические клетки содержат широкий спектр элементов, помимо этих основных, эти три вещи составляют почти все бактериальные клетки. Однако бактериальные клетки обладают некоторыми особенностями, которых нет у эукариотических клеток, в первую очередь клеточной стенкой.

Один эукариотический организм может иметь триллионы клеток, хотя дрожжи одноклеточные; бактериальные клетки, с другой стороны, состоят только из одной клетки. В то время как эукариотические клетки включают множество мембраносвязанных органелл, таких как ядро, митохондрии (у животных), хлоропласты (ответ растений на митохондрии), тельца Гольджи, эндоплазматический ретикулум и лизосомы, бактериальные клетки не имеют органеллы. И эукариоты, и прокариоты включают рибосомы, крошечные структуры, отвечающие за синтез белка, но они обычно более легко визуализируется у эукариот, потому что многие из них группируются вдоль линейных ленточных эндоплазматических сеточка.

Легко рассматривать бактериальные клетки и сами бактерии как «примитивные» из-за их более длительного эволюционного возраста (около 3,5 миллиардов лет, vs. около 1,5 миллиарда для прокариот) и их простота. Однако это заблуждение по ряду причин. Во-первых, с чистой точки зрения выживания видов более сложный не обязательно означает более устойчивый; по всей вероятности, бактерии как группа переживут людей и другие «высшие» организмы, как только условия на Земле изменятся в достаточной степени. Вторая причина заключается в том, что бактериальные клетки, хотя и простые, развили множество мощных механизмов выживания, которых нет у эукариот.

Бактериальные клетки бывают трех основных форм: палочковидные (бациллы), круглые (кокки) и спиралевидные (спириллы). Эти морфологические характеристики бактериальных клеток могут быть полезны при диагностике инфекционных заболеваний, вызываемых известными бактериями. Например, "ангина" вызывается видами Стрептококки, которые, как следует из названия, круглые, как и Стафилококки. Сибирская язва вызывается крупной палочкой, а болезнь Лайма вызывается спирохетами, имеющими форму спирали. В дополнение к различной форме отдельных клеток, бактериальные клетки, как правило, находятся в кластерах, структура которых варьируется в зависимости от рассматриваемого вида. Некоторые палочки и кокки растут длинными цепочками, в то время как некоторые другие кокки встречаются группами, чем-то напоминающими форму отдельных клеток.

Большинство бактериальных клеток, в отличие от вирусов, могут жить независимо от других организмов и не зависят от других живых существ для метаболических или репродуктивных потребностей. Однако существуют исключения; некоторые виды Риккетсии а также Хламидии обязательно внутриклеточные, что означает, что у них нет другого выбора, кроме как населять клетки живых существ, чтобы выжить.

Отсутствие ядра у бактериальных клеток является причиной того, что прокариотические клетки изначально отличались от эукариотические клетки, так как эта разница очевидна даже под микроскопом со сравнительно небольшим увеличением мощность. Бактериальная ДНК, хотя и не окружена ядерной мембраной, как у эукариот, тем не менее имеет тенденцию к тесному скоплению, и возникающее грубое образование называется нуклеоидом. В бактериальных клетках в целом значительно меньше ДНК, чем в эукариотических клетках; если растянуть конец до конца, единственная копия генетического материала типичного эукарирота, или хроматина, растянется до около 1 миллиметра, тогда как у бактерий - от 1 до 2 микрометров - в 500 - 1000 раз разница. Генетический материал эукариот включает как саму ДНК, так и белки, называемые гистонами, тогда как прокариотическая ДНК имеет несколько полиаминов (соединений азота) и ионов магния, связанных с ней.

Возможно, наиболее очевидным структурным различием между бактериальными клетками и другими клетками является тот факт, что бактерии обладают клеточными стенками. Эти стены, сделанные из пептидогликан молекулы, лежат сразу за клеточной мембраной, которой обладают клетки всех типов. Пептидогликаны состоят из комбинации полисахаридных сахаров и белковых компонентов; их основная задача - добавить защиту и жесткость бактериям и предложить точку крепления для таких конструкций, как пили и жгутики, которые берут начало в клеточной мембране и проходят через клеточную стенку во внешнюю среду.

Если бы вы были микробиологом, работающим в прошлом веке, и хотели бы создать лекарство, которое было бы опасно для бактериальных клеток, но в основном безвредно для человеческих клеток, и вы знали бы об этом. соответствующие структуры клеточного состава этих организмов, вы можете сделать это, разработав или найдя вещества, которые токсичны для клеточных стенок, сохраняя при этом другие клетки составные части. Фактически, именно так действуют многие антибиотики: они нацелены и разрушают стенки бактериальных клеток, в результате убивая бактерии. Пенициллины, которые появились в начале 1940-х годов как первый класс антибиотиков, действуют, подавляя синтез пептидогликанов, составляющих клеточные стенки некоторых, но не всех бактерий. Они делают это, инактивируя фермент, который катализирует процесс, называемый перекрестным сшиванием, в восприимчивых бактериях. На протяжении многих лет антибиотики отбирались для бактерий, которые вырабатывают вещества, называемые бета-лактамазами, которые нацелены на «вторгающиеся» пенициллины. Таким образом, между антибиотиками и их крошечными болезнетворными мишенями продолжается давняя и нескончаемая «гонка вооружений».

У некоторых бактерий есть внешние структуры, которые помогают бактериям перемещаться по физическому миру. Например, жгутики (единственное число: жгутик) представляют собой хлыстоподобные отростки, которые обеспечивают передвижение бактерий, обладающих ими, подобно головастикам. Иногда они находятся на одном конце бактериальной клетки; у некоторых бактерий они есть на обоих концах. Жгутики «бьются» так же, как и пропеллер, позволяя бактериям «преследовать» питательные вещества, «убегать» от токсичных химикатов или двигаться к свету (некоторые бактерии, называемые цианобактерии, полагаются на фотосинтез для получения энергии, как и растения, и поэтому требуют регулярного воздействия света).

Пили (единственное число: пилус), структурно похожи на жгутики, поскольку они представляют собой волосовидные выступы, выходящие наружу от поверхности бактериальных клеток. Однако их функция иная. Вместо того, чтобы помогать передвижению, пили помогают бактериям прикрепляться к другим клеткам и поверхностям различного состава, включая камни, кишечник и даже эмаль ваших зубов. Другими словами, они придают бактериям «липкость» точно так же, как характерные раковины ракушек позволяют этим организмам прикрепляться к камням. Без пилей многие патогенные (т. Е. Болезнетворные) бактерии не заразны, потому что они не могут прикрепиться к тканям хозяина. Пили специального вида используются для процесса, называемого спряжение, в котором две бактерии обмениваются частями ДНК.

Довольно дьявольским конструктом некоторых бактерий являются эндоспоры. Бациллы а также Clostridium виды могут производить эти споры, которые представляют собой высокотермостойкие, обезвоженные и неактивные версии нормальных бактериальных клеток, которые создаются внутри клеток. Они содержат собственный полный геном и все метаболические ферменты. Ключевой особенностью эндоспор является сложная защитная оболочка из спор. Заболевание ботулизмом вызывается Clostridium botulinum эндоспора, которая выделяет смертельное вещество, называемое эндотоксином.

Бактерии производятся посредством процесса, называемого бинарным делением, что просто означает разделение пополам и создание пары клеток, каждая из которых генетически идентична родительской клетке. Эта бесполая форма размножения резко контрастирует с размножением эукариот, которое половым путем является что в нем участвуют два родительских организма, вносящих равное количество генетического материала для создания потомство. Хотя половое размножение на поверхности может показаться обременительным, в конце концов, зачем вводить этот энергетически затратный шаг, если вместо этого клетки могут просто разделиться пополам? - это абсолютная гарантия генетического разнообразия, и такое разнообразие необходимо для выживания видов.

Подумайте об этом: если бы все люди были генетически идентичны или даже близки, особенно на уровне ферментов и белков, вы не могли бы увидеть но которые служат жизненно важным метаболическим функциям, тогда одного типа биологического противника будет достаточно, чтобы потенциально уничтожить все человечество. Вы уже знаете, что люди различаются по своей генетической предрасположенности к определенным вещам, от основных (некоторые люди могут умереть от небольшого воздействия аллергенов, включая арахис). и пчелиный яд) до относительно тривиальных (некоторые люди не могут переваривать сахарную лактазу, что делает их неспособными употреблять молочные продукты без серьезных нарушений работы желудочно-кишечного тракта. системы). Вид, обладающий большим генетическим разнообразием, в значительной степени защищен от исчезновения, потому что это разнообразие предлагает сырье, на которое может действовать благоприятное давление естественного отбора. Если 10 процентов популяции определенного вида оказываются невосприимчивыми к определенному вирусу, с которым этот вид еще не сталкивался, это всего лишь причуда. Если, с другой стороны, вирус проявится в этой популяции, это может произойти незадолго до этого случая, когда 10 процентов представляют 100 процентов выживших организмов этого вида.

В результате бактерии разработали ряд методов обеспечения генетического разнообразия. Это включает преобразование, спряжение а также трансдукция. Не все бактериальные клетки могут использовать все эти процессы, но в совокупности они позволяют всем видам бактерий выжить в гораздо большей степени, чем в противном случае.

Трансформация - это процесс поглощения ДНК из окружающей среды, и он делится на естественные и искусственные формы. При естественной трансформации ДНК мертвых бактерий интернализуется через клеточную мембрану в стиле мусорщика и включается в ДНК выживших бактерий. При искусственной трансформации ученые намеренно вводят ДНК в бактерию-хозяин, часто Э. кишечная палочка (потому что этот вид имеет небольшой простой геном, которым легко манипулировать) для изучения этих организмов или создания желаемого бактериального продукта. Часто введенная ДНК происходит от плазмида встречающееся в природе кольцо бактериальной ДНК.

Конъюгация - это процесс, при котором одна бактерия использует пили или пили для «инъекции» ДНК второй бактерии посредством прямого контакта. Передаваемая ДНК может, как и в случае искусственной трансформации, быть плазмидой или другим фрагментом. Недавно введенная ДНК может включать жизненно важный ген, который кодирует белки, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам.

Наконец, трансдукция зависит от присутствия вторгающегося вируса, называемого бактериофагом. Вирусы полагаются на живые клетки для репликации, потому что, хотя они обладают генетическим материалом, им не хватает механизмов для его копирования. Эти бактериофаги помещают свой собственный генетический материал в ДНК бактерий, в которые они вторгаются, и направляют бактерии, чтобы производить больше фагов, геномы которых затем содержат смесь исходной бактериальной ДНК и ДНК бактериофага. Когда эти новые бактериофаги покидают клетку, они могут вторгаться в другие бактерии и передавать ДНК, полученную от предыдущего хозяина, в новую бактериальную клетку.