Vlastnosti bakteriálnej bunky

Bunky sú základnými jednotkami života a ako také sú najmenšími zreteľnými prvkami živých vecí, ktoré si zachovávajú všetok kľúč vlastnosti spojené so živými vecami vrátane metabolizmu, reprodukčnej schopnosti a prostriedkov na udržiavanie chemických látok rovnováha. Bunky sú buď prokaryotický, výraz označujúci baktérie a hromadenie jednobunkových organizmov, alebo eukaryotický, čo sa týka rastlín, húb a živočíchov.

Bakteriálne a iné prokaryotické bunky sú takmer vo všetkých ohľadoch oveľa jednoduchšie ako ich eukaryotické náprotivky. Všetky bunky obsahujú minimálne plazmatickú membránu, cytoplazmu a genetický materiál vo forme DNA. Zatiaľ čo eukaryotické bunky obsahujú okrem týchto základných prvkov aj širokú škálu prvkov, tieto tri veci zodpovedajú takmer celému radu bakteriálnych buniek. Bakteriálne bunky však obsahujú niekoľko znakov, ktoré eukaryotické bunky nie, najmä bunkovú stenu.

Jeden eukaryotický organizmus môže mať bilióny buniek, hoci kvasinky sú jednobunkové; bakteriálne bunky majú na druhej strane iba jednu bunku. Keďže eukaryotické bunky zahŕňajú rôzne organely viazané na membránu, ako napríklad jadro, mitochondrie (u zvierat), chloroplasty (odpoveď rastlín na mitochondrie), Golgiho telieska, endoplazmatické retikulum a lyzozómy, bakteriálne bunky neobsahujú organely. Eukaryoty aj prokaryoty zahŕňajú ribozómy, drobné štruktúry zodpovedné za syntézu proteínov, ale sú to sa zvyčajne ľahšie vizualizujú v eukaryotoch, pretože toľko z nich sa zhromažďuje pozdĺž lineárneho endoplazmatického pásu retikulum.

Je ľahké považovať bakteriálne bunky a samotné baktérie za „primitívne“, a to kvôli ich vyššiemu vývojovému veku (asi 3,5 miliárd rokov, vs. asi 1,5 miliardy pre prokaryoty) a ich jednoduchosť. Toto je však zavádzajúce z mnohých dôvodov. Jedným z nich je, že z čistého hľadiska prežitia druhov nemusí zložitejšie nevyhnutne znamenať robustnejšie; s najväčšou pravdepodobnosťou baktérie ako skupina prekonajú ľudí a ďalšie „vyššie“ organizmy, akonáhle sa podmienky na Zemi dostatočne zmenia. Druhým dôvodom je, že aj keď sú bakteriálne bunky jednoduché, vyvinuli sa rôzne účinné mechanizmy prežitia, ktoré eukaryoty nemajú.

Bakteriálne bunky majú tri základné tvary: tyčinkovité (bacily), okrúhle (koky) a špirálovité (spirilli). Tieto morfologické vlastnosti bakteriálnych buniek môžu byť užitočné pri diagnostike infekčných chorôb spôsobených známymi baktériami. Napríklad „streptokok“ je spôsobený druhmi Streptokoky, ktoré, ako už z názvu vyplýva, sú také okrúhle Stafylokoky. Anthrax je spôsobený veľkým bacilom a lymskú boreliózu spirochéta špirálovitého tvaru. Okrem rôznych tvarov jednotlivých buniek sa bakteriálne bunky zvyknú nachádzať aj v zhlukoch, ktorých štruktúra sa líši v závislosti od konkrétneho druhu. Niektoré tyčinky a koky rastú v dlhých reťazcoch, zatiaľ čo iné koky sa nachádzajú v zhlukoch, ktoré trochu pripomínajú tvar jednotlivých buniek.

Väčšina bakteriálnych buniek môže na rozdiel od vírusov žiť nezávisle od iných organizmov a pre metabolické alebo reprodukčné potreby nie je odkázaná na iné živé organizmy. Výnimky však existujú; niektoré druhy Rickettsiae a Chlamydiae sú obligátne intracelulárne, čo znamená, že im nezostáva nič iné, ako prežiť v bunkách živých vecí.

Nedostatok jadra bakteriálnych buniek je dôvod, prečo sa pôvodne odlišovali prokaryotické bunky eukaryotické bunky, pretože tento rozdiel je evidentný aj pri mikroskopoch s pomerne malým zväčšením moc. Bakteriálna DNA, aj keď nie je obklopená jadrovou membránou, ako je tomu u eukaryotov, má napriek tomu tendenciu sa tesne zhlukovať a výsledná hrubá formácia sa nazýva nukleoid. V bakteriálnych bunkách je celkovo podstatne menej DNA ako v eukaryotických bunkách; ak by sa pretiahla od jedného konca k druhému, jedna kópia genetického materiálu typického eukaryrotu alebo chromatín by sa natiahla na asi 1 milimetr, zatiaľ čo bakteriálny rozsah by bol asi 1 až 2 mikrometre - 500- až 1 000-násobne rozdiel. Genetický materiál eukaryotov zahrnuje samotnú DNA aj proteíny nazývané históny, zatiaľ čo prokaryotická DNA obsahuje niekoľko polyamínov (zlúčeniny dusíka) a iónov horčíka.

Asi najzrejmejším štrukturálnym rozdielom medzi bakteriálnymi bunkami a inými bunkami je skutočnosť, že baktérie majú bunkové steny. Tieto steny, vyrobené z peptidoglykán molekuly ležia tesne za bunkovou membránou, ktorú majú bunky všetkých typov. Peptidoglykány pozostávajú z kombinácie polysacharidových cukrov a proteínových zložiek; ich hlavnou úlohou je pridať ochranu a tuhosť baktériám a ponúknuť miesto ukotvenia pre štruktúry ako napr pili a bičíky, ktoré pochádzajú z bunkovej membrány a prechádzajú cez bunkovú stenu do vonkajšieho prostredia.

Ak ste boli mikrobiológom pôsobiacim v minulom storočí a chceli by ste vytvoriť liek, ktorý by bol nebezpečný pre bakteriálne bunky a väčšinou neškodný pre ľudské bunky, a mali by ste vedomosti o príslušné štruktúry bunkového zloženia týchto organizmov, môžete to dosiahnuť navrhnutím alebo nájdením látok, ktoré sú toxické pre bunkové steny, a šetriť tak inú bunku. komponenty. V skutočnosti presne takto funguje veľa antibiotík: Zameriavajú a ničia bunkové steny baktérií a následkom toho zabíjajú baktérie. Penicilíny, ktoré sa objavili na začiatku 40. rokov ako prvá skupina antibiotík, pôsobia inhibíciou syntézy peptidoglykánov, ktoré tvoria bunkové steny niektorých, ale nie všetkých, baktérií. Robia to deaktiváciou enzýmu, ktorý katalyzuje proces nazývaný zosieťovanie u citlivých baktérií. V priebehu rokov si podávanie antibiotík vybralo pre baktérie, ktoré náhodou produkujú látky nazývané beta-laktamázy, ktoré sú zamerané na „invázne“ penicilíny. Medzi antibiotikami a ich malými cieľmi spôsobujúcimi choroby tak zostáva v platnosti dlhotrvajúci a nikdy nekončiaci „závod v zbrojení“.

Niektoré baktérie majú vonkajšie štruktúry, ktoré im pomáhajú pri navigácii vo fyzickom svete. Napríklad, bičíky (singulár: flagellum) sú prívesky podobné bičom, ktoré poskytujú lokomóciu pre baktérie, ktoré ich majú, podobné ako u pulca. Niekedy sa nachádzajú na jednom konci bakteriálnej bunky; niektoré baktérie ich majú na oboch koncoch. Bičíky „bijú“ podobne ako vrtuľa, čo umožňuje baktériám „prenasledovať“ živiny, „uniknúť“ z toxických chemikálií alebo sa pohybovať smerom k svetlu (niektoré baktérie, tzv. sinice, spoľahnite sa na fotosyntézu energie, ako to robia rastliny, a preto vyžadujte pravidelné vystavenie svetlu).

Pili (jednotné číslo: pilus), sú štrukturálne podobné bičíkom, pretože sú to vlasové výbežky vystupujúce von z povrchu bakteriálnych buniek. Ich funkcia je však iná. Namiesto pomoci lokomócii pili pomáha baktériám pripojiť sa k iným bunkám a povrchom rôzneho zloženia vrátane hornín, vašich čriev a dokonca aj zubnej skloviny. Inými slovami, ponúkajú „priľnavosť“ k baktériám tak, ako charakteristické škrupiny barnacles umožňujú týmto organizmom priľnúť k skalám. Bez pili nie je veľa patogénnych (tj. Choroboplodných) baktérií infekčných, pretože nemôžu priľnúť k hostiteľským tkanivám. Špecializovaný typ pili sa používa pre proces tzv konjugácia, v ktorom si dve baktérie vymieňajú časti DNA.

Dosť diabolským konštruktom určitých baktérií sú endospóry. Bacil a Clostridium druhy môžu produkovať tieto spóry, ktoré sú vysoko tepelne odolné, dehydrované a neaktívne verzie normálnych bakteriálnych buniek, ktoré sa vytvárajú vo vnútri buniek. Obsahujú vlastný kompletný genóm a všetky metabolické enzýmy. Kľúčovou vlastnosťou endospóry je jej komplexný ochranný plášť spór. Botulizmus choroby je spôsobený a Clostridium botulinum endospóra, ktorá vylučuje smrtiacu látku zvanú endotoxín.

Baktérie sa vytvárajú procesom nazývaným binárne štiepenie, čo jednoducho znamená rozdelenie na polovicu a vytvorenie dvojice buniek, ktoré sú každá geneticky identická s materskou bunkou. Táto nepohlavná forma reprodukcie je v ostrom kontraste s reprodukciou eukaryot, ktorá je sexuálna že zahŕňa dva rodičovské organizmy prispievajúce rovnakým množstvom genetického materiálu k vytvoreniu potomkov. Aj keď sa sexuálna reprodukcia na povrchu môže zdať ťažkopádna - koniec koncov, prečo zaviesť tento energeticky nákladný krok, ak sa bunky môžu namiesto toho rozdeliť na polovicu? - je to absolútna záruka genetickej rozmanitosti a tento druh rozmanitosti je nevyhnutný pre prežitie druhov.

Popremýšľajte o tom: Keby bol každý človek geneticky identický alebo dokonca blízky, najmä na úrovni enzýmov a bielkovín, ktorú nemôžete vidieť ale ktoré slúžia životne dôležitým metabolickým funkciám, potom by stačil jediný typ biologického protivníka na to, aby sa všetky potenciálne vyhubili ľudstvo. Už viete, že ľudia sa líšia svojou genetickou citlivosťou na určité veci, od hlavných (niektorí ľudia môžu zomrieť pri vystavení účinkom malého množstva alergénov, vrátane arašidov) a včelí jed) na relatívne malicherné (niektorí ľudia nedokážu stráviť laktázu cukru, takže nemôžu konzumovať mliečne výrobky bez vážneho narušenia gastrointestinálneho traktu. systémov). Druh, ktorý má veľkú genetickú rozmanitosť, je chránený pred vyhynutím, pretože táto rozmanitosť ponúka surovinu, na ktorú môžu pôsobiť priaznivé tlaky na prirodzený výber. Ak sa stane, že 10 percent populácie daného druhu je imúnnych voči určitému vírusu, ktorý tento druh ešte musí zažiť, je to iba čudný vtip. Ak sa vírus na druhej strane prejaví v tejto populácii, nemusí to byť dlho predtým, ako sa to stane, 10 percent predstavuje 100 percent prežívajúcich organizmov tohto druhu.

Výsledkom bolo, že baktérie vyvinuli množstvo metód na zabezpečenie genetickej rozmanitosti. Tie obsahujú transformácia, konjugácia a transdukcia. Nie všetky bakteriálne bunky môžu využívať všetky tieto procesy, ale medzi nimi umožňujú všetkým bakteriálnym druhom prežiť v oveľa väčšej miere, ako by tomu bolo inak.

Transformácia je proces prijímania DNA z prostredia a je rozdelený na prírodné a umelé formy. Pri prirodzenej transformácii je DNA z mŕtvych baktérií internalizovaná prostredníctvom bunkovej membrány v štýle mrchožrouta a zabudovaná do DNA prežívajúcich baktérií. Pri umelej transformácii vedci zámerne často zavádzajú DNA do hostiteľskej baktérie E. coli (pretože tento druh má malý, jednoduchý genóm, s ktorým sa dá ľahko manipulovať) s cieľom študovať tieto organizmy alebo vytvoriť požadovaný bakteriálny produkt. Zavedená DNA je často z a plazmid, prirodzene sa vyskytujúci kruh bakteriálnej DNA.

Konjugácia je proces, pri ktorom jedna baktéria používa pilus alebo pili na „vstrekovanie“ DNA do druhej baktérie priamym kontaktom. Prenášaná DNA môže byť, rovnako ako pri umelej transformácii, plazmid alebo môže ísť o iný fragment. Novo zavedená DNA môže obsahovať životne dôležitý gén, ktorý kóduje proteíny umožňujúce rezistenciu na antibiotiká.

Nakoniec sa transdukcia spolieha na prítomnosť napadnutého vírusu nazývaného bakteriofág. Vírusy sa spoliehajú na to, že sa živé bunky replikujú, pretože hoci majú genetický materiál, chýba im mechanizmus na ich kopírovanie. Tieto bakteriofágy umiestňujú svoj vlastný genetický materiál do DNA baktérií, ktoré napadajú, a usmerňujú ich baktérie, aby vytvorili viac fágov, ktorých genómy potom obsahujú zmes pôvodnej bakteriálnej DNA a bakteriofágová DNA. Keď tieto nové bakteriofágy opustia bunku, môžu napadnúť ďalšie baktérie a preniesť DNA získanú od predchádzajúceho hostiteľa do novej bakteriálnej bunky.