Карактеристике бактеријске ћелије

Ћелије су основне животне јединице и као такве су најмањи различити елементи живих бића који задржавају све кључне својства повезана са живим бићима, укључујући метаболизам, способност репродукције и средство за одржавање хемикалија равнотежа. Ћелије су било прокариотски, израз који се односи на бактерије и нагомилавање једноћелијских организама, или еукариотски, који се односи на биљке, гљиве и животиње.

Бактеријске и друге прокариотске ћелије су у сваком погледу много једноставније од њихових еукариотских колега. Све ћелије најмање укључују плаземску мембрану, цитоплазму и генетски материјал у облику ДНК. Иако еукариотске ћелије садрже широк спектар елемената изван ових основних ствари, ове три ствари чине готово целину бактеријских ћелија. Међутим, бактеријске ћелије садрже неколико карактеристика које еукариотске ћелије не, а посебно ћелијски зид.

Поједини еукариотски организам може имати билијуне ћелија, иако је квасац једноћелијски; бактеријске ћелије, с друге стране, имају само једну ћелију. Док еукариотске ћелије укључују низ мембрана везаних органела, попут језгра, митохондрија (код животиња), хлоропласти (одговор биљака на митохондрије), Голгијева тела, ендоплазматски ретикулум и лизосоми, бактеријске ћелије немају органеле. И еукариоти и прокарионти укључују рибозоме, мале структуре одговорне за синтезу протеина, али то су типично се лакше визуализују код еукариота јер се толико њих кластерује дуж линеарне ендоплазматске траке налик траци ретикулум.

Лако је бактеријске ћелије и саме бактерије сматрати „примитивним“, захваљујући и њиховој већој еволуционој старости (око 3,5 милијарди година, наспрам око 1,5 милијарди за прокариоте) и њихова једноставност. То, међутим, обмањује из више разлога. Један је да, са чистог становишта преживљавања врста, сложенији не мора нужно значити и робуснији; по свој прилици, бактерије као група наџивеће људе и друге „више“ организме када се услови на Земљи довољно промене. Други разлог је тај што су бактеријске ћелије, иако једноставне, развиле низ моћних механизама преживљавања које еукариоти нису.

Бактеријске ћелије долазе у три основна облика: штапичасти (бацили), округли (коки) и спирални (спирилли). Ове морфолошке карактеристике бактеријских ћелија могу бити корисне у дијагнози заразних болести изазваних познатим бактеријама. На пример, "стреп грло" узрокује врста Стрептококи, који су, како и само име говори, округли, као и Стафилококи. Антракс изазива велики бацил, а Лајмску болест спирохета, која је спиралног облика. Поред различитих облика појединачних ћелија, бактеријске ћелије имају тенденцију да се налазе и у гроздовима, чија структура варира у зависности од врсте о којој је реч. Неке палице и коки расту у дугим ланцима, док се неки други коки налазе у гроздовима који подсећају на облик појединачних ћелија.

Већина бактеријских ћелија може, за разлику од вируса, да живи независно од других организама и да се не ослања на друга жива бића за метаболичке или репродуктивне потребе. Изузеци, међутим, постоје; неке врсте Рицкеттсиае и Цхламидиае су обавезно унутарћелијски, што значи да им не преостаје ништа друго него да настањују ћелије живих бића да би преживели.

Недостатак језгра бактеријских ћелија разлог је због којег су првобитно разликоване прокариотске ћелије еукариотске ћелије, јер је ова разлика очигледна чак и под микроскопима сразмерно малог увећања снага. ДНК бактерија, иако није окружена нуклеарном мембраном попут еукариота, ипак тежи да се уско кластерује, а резултујућа груба формација назива се нуклеоид. Укупно је ДНК у ћелијама бактерија знатно мање него у еукариотским ћелијама; ако би се развукао од краја до краја, једна копија типичног генетског материјала еукариота, или хроматина, протезала би се до око 1 милиметар, док би се код бактерија кретао око 1 до 2 микрометра - 500 до 1000 пута разлика. Генетски материјал еукариота укључује и саму ДНК и протеине зване хистони, док прокариотска ДНК има неколико полиамина (једињења азота) и магнезијумових јона повезаних са њом.

Можда најочигледнија структурна разлика између бактеријских ћелија и других ћелија је чињеница да бактерије поседују ћелијске зидове. Ови зидови, направљени од пептидогликан молекули, леже непосредно испред ћелијске мембране, коју имају ћелије свих врста. Пептидогликани се састоје од комбинације полисахаридних шећера и протеинских компонената; њихов главни посао је да бактеријама додају заштиту и крутост и понуде тачку сидрења за структуре као што су пили и бичеви, који потичу из ћелијске мембране и протежу се кроз ћелијски зид до спољне средине.

Ако сте микробиолог који је деловао у прошлом веку и желели сте да направите лек који би био опасан за бактеријске ћелије, а углавном нешкодљив за људске ћелије, и имали бисте одговарајуће структуре ћелијског састава ових организама, то бисте могли постићи дизајнирањем или проналажењем супстанци које су токсичне за ћелијске зидове, а штеде друге ћелије компоненте. Заправо, управо толико много антибиотика делује: Они циљају и уништавају ћелијске зидове бактерија, што као резултат убија бактерије. Пеницилини, који су се појавили почетком 1940-их као прва класа антибиотика, делују тако што инхибирају синтезу пептидогликана који чине ћелијске зидове неких, али не свих бактерија. То чине инактивацијом ензима који катализује процес назван умрежавање код осетљивих бактерија. Током година, администрација антибиотиком одабрала је бактерије које случајно производе супстанце зване бета-лактамазе, које циљају пеницилине који „нападају“. Тако дугорочна и бескрајна „трка у наоружању“ остаје на снази између антибиотика и њихових сићушних мета које узрокују болести.

Неке бактерије имају спољне структуре које помажу бактеријама у њиховој навигацији физичким светом. На пример, бичеви (једнина: бичевићи) су додаци попут бича који пружају средство за кретање бактерија које их поседују, слично као пуноглавци. Понекад се налазе на једном крају бактеријске ћелије; неке бактерије их имају на оба краја. Бичеви "туку" слично као и пропелер, омогућавајући бактеријама да "јуре" хранљиве материје, "беже" од токсичних хемикалија или се крећу ка светлости (неке бактерије, тзв. цијанобактерија, ослоните се на фотосинтезу за енергију као биљке и зато захтевају редовно излагање светлости).

Пили (једнина: пилус) су структурно сличне бичевима, јер су избочине попут длака које се шире према ван од површине бактеријске ћелије. Њихова функција је, међутим, различита. Уместо да помажу у кретању, пили помажу бактеријама да се прикаче за друге ћелије и површине различитих састава, укључујући камење, црева, па чак и глеђ зуба. Другим речима, они нуде „лепљивост“ за бактерије на начин на који карактеристичне љуске шишарки омогућавају овим организмима да се лепе за стене. Без пили, многе патогене (тј. Бактерије које изазивају болести) нису заразне, јер се не могу придржавати ткива домаћина. Специјализована врста пили се користи за процес тзв коњугација, у којем две бактерије размењују делове ДНК.

Прилично ђаволски конструкт одређених бактерија су ендоспоре. Бациллус и Цлостридиум врсте могу да произведу ове споре, које су високо отпорне на топлоту, дехидриране и неактивне верзије нормалних бактеријских ћелија које се стварају унутар ћелија. Садрже свој комплетан геном и све метаболичке ензиме. Кључна карактеристика ендоспоре је сложени заштитни слој од спора. Ботулизам болест је узрокована Цлостридиум ботулинум ендоспора, која лучи смртоносну супстанцу која се назива ендотоксин.

Бактерије се производе поступком који се назива бинарна фисија, што једноставно значи раздвајање на пола и стварање пара ћелија које су свака генетски идентичне матичној ћелији. Овај несполни облик размножавања је у оштрој супротности са размножавањем еукариота, које је полно да укључује два матична организма који доприносе једнакој количини генетског материјала да би створили потомство. Иако сексуална репродукција на површини може деловати гломазно - на крају крајева, зашто уводити овај енергетски скуп корак ако се уместо тога ћелије могу само преполовити? - то је апсолутно осигурање генетске разноликости и ова врста разноликости је од суштинског значаја за опстанак врста.

Размислите о томе: Да је свако људско биће генетски идентично или чак блиско, посебно на нивоу ензима и протеина које не можете видети али који служе виталним метаболичким функцијама, онда би један тип биолошког противника био довољан да потенцијално уништи све човечанство. Већ знате да се људи разликују у својој генетској подложности одређеним стварима, од главних (неки људи могу умрети од излагања малој изложености алергенима, укључујући кикирики и пчелињи отров) на релативно тривијалну (неки људи не могу сварити шећерну лактазу, због чега не могу да конзумирају млечне производе без озбиљних поремећаја у раду гастроинтестиналног тракта системи). Врсте које уживају велику генетску разноликост у великој мери су заштићене од изумирања, јер та разноликост нуди сировину на коју могу деловати повољни природни селекциони притисци. Ако се догоди да је 10 процената популације дате врсте имуно на одређени вирус који врста тек треба да доживи, то је пука необичност. Ако се, с друге стране, вирус манифестује у овој популацији, можда неће проћи много времена пре него што се ова случајност догоди да 10 процената представља 100 процената преживелих организама ове врсте.

Као резултат, бактерије су развиле бројне методе за обезбеђивање генетске разноликости. Ови укључују трансформација, коњугација и трансдукција. Не могу све бактеријске ћелије да искористе све ове процесе, али између њих омогућавају свим бактеријским врстама да преживе у далеко већој мери него што би иначе.

Трансформација је процес узимања ДНК из околине и она се дели на природне и вештачке облике. У природној трансформацији, ДНК мртвих бактерија се интернализује кроз ћелијску мембрану, у облику чистача, и уграђује у ДНК преживелих бактерија. У вештачкој трансформацији, научници често намерно уводе ДНК у бактерију домаћина Е. цоли (јер ова врста има мали, једноставан геном којим се лако манипулише) како би се проучили ови организми или створио жељени бактеријски производ. Често је уведена ДНК из а плазмид, природни прстен бактеријске ДНК.

Коњугација је процес којим једна бактерија користи пилус или пили да „убризга“ ДНК у другу бактерију директним контактом. Пренесена ДНК може, као и код вештачке трансформације, бити плазмид или може бити различит фрагмент. Ново уведена ДНК може садржавати витални ген који кодира протеине омогућавајући резистенцију на антибиотике.

Коначно, трансдукција се ослања на присуство вируса који се назива бактериофаг. Вируси се ослањају на живе ћелије да се реплицирају јер им, иако поседују генетски материјал, недостаје машина за његово копирање. Ови бактериофаги стављају свој генетски материјал у ДНК бактерија које нападају и усмеравају их бактеријама да би створили више фага, чији геноми затим садрже мешавину изворне бактеријске ДНК и ДНК бактериофага. Када ови нови бактериофаги напусте ћелију, могу да нападну друге бактерије и пренесу ДНК стечену од претходног домаћина у нову бактеријску ћелију.