Kännetecken för en bakteriecell

Celler är livets grundläggande enheter och är som sådan de minsta distinkta elementen i levande saker som behåller alla nycklar egenskaper förknippade med levande saker, inklusive ämnesomsättning, förmåga att reproducera och ett sätt att bibehålla kemikalier balans. Celler är antingen prokaryot, en term som hänvisar till bakterier och en smattering av encelliga organismer, eller eukaryot, som avser växter, svampar och djur.

Bakteriella och andra prokaryota celler är mycket enklare på nästan alla sätt än deras eukaryota motsvarigheter. Alla celler innehåller åtminstone ett plasmamembran, cytoplasma och genetiskt material i form av DNA. Medan eukaryota celler har en mängd olika element utöver dessa väsentliga delar, står dessa tre saker för nästan hela bakterieceller. Bakterieceller innehåller dock några funktioner som eukaryota celler nej inte, särskilt en cellvägg.

En enda eukaryot organism kan ha biljoner celler, även om jäst är unicellulär; bakterieceller, å andra sidan, har bara en cell. Medan eukaryota celler innefattar en mängd membranbundna organeller, såsom kärnan, mitokondrier (hos djur), kloroplaster (växternas svar på mitokondrier), Golgi-kroppar, endoplasmatisk retikulum och lysosomer, bakterieceller har ingen organeller. Både eukaryoter och prokaryoter inkluderar ribosomer, de små strukturer som är ansvariga för proteinsyntes, men dessa är typiskt lättare att visualisera i eukaryoter eftersom så många av dem kluster längs det linjära, bandliknande endoplasmatiska nätverk.

Det är lätt att betrakta bakterieceller och själva bakterierna som "primitiva" på grund av både deras högre evolutionära ålder (cirka 3,5 miljarder år, vs. cirka 1,5 miljarder för prokaryoter) och deras enkelhet. Detta är dock vilseledande av ett antal skäl. Det ena är att ur den övergripande synvinkeln för artöverlevnad betyder mer komplex inte nödvändigtvis mer robust; med stor sannolikhet kommer bakterier som en grupp att överleva människor och andra "högre" organismer när förhållandena på jorden förändras tillräckligt. En andra anledning är att bakterieceller, även om de är enkla, har utvecklat en mängd potenta överlevnadsmekanismer som eukaryoter inte har.

Bakterieceller finns i tre grundläggande former: stavliknande (basillerna), runda (kocker) och spiralformade (spiriller). Dessa morfologiska bakteriecellegenskaper kan vara praktiska vid diagnos av infektionssjukdomar orsakade av kända bakterier. Till exempel är "strep hals" orsaker av arter av Streptokocker, som, som namnet antyder, är runda, liksom Staphylococci. Mjältbrand orsakas av en stor bacillus, och Lyme-sjukdomen orsakas av en spirochete, som är spiralformad. Förutom de olika formerna av enskilda celler, finns bakterieceller oftast i kluster, vars struktur varierar beroende på vilken art det är fråga om. Vissa stavar och kocker växer i långa kedjor, medan vissa andra kocker finns i kluster som påminner om formen på enskilda celler.

De flesta bakterieceller kan, till skillnad från virus, leva oberoende av andra organismer och är inte beroende av andra levande saker för metaboliska eller reproduktiva behov. Undantag finns dock; vissa arter av Rickettsiae och Chlamydiae är obligatoriskt intracellulära, vilket innebär att de inte har något annat val än att bo i cellerna i levande saker för att överleva.

Bakteriecellernas brist på kärna är anledningen till att prokaryota celler ursprungligen skilde sig från eukaryota celler, eftersom denna skillnad är uppenbar även under mikroskop med relativt låg förstoring kraft. Bakteriellt DNA, även om det inte omges av ett kärnmembran som eukaryoter, tenderar ändå att kluster sig tätt och den resulterande grova bildningen kallas en nukleoid. Det finns betydligt mindre DNA totalt sett i bakterieceller än i eukaryota celler; om den sträcks från början till slut, skulle en enda kopia av det typiska eukaryrotens genetiska material, eller kromatin, sträcka sig till ungefär 1 millimeter, medan bakterien skulle sträcka sig omkring 1 till 2 mikrometer - 500 till 1000 gånger skillnad. Det genetiska materialet i eukaryoter inkluderar både DNA i sig och proteiner som kallas histoner, medan prokaryot DNA har några polyaminer (kväveföreningar) och magnesiumjoner associerade med sig.

Den kanske mest uppenbara strukturella skillnaden mellan bakterieceller och andra celler är det faktum att bakterier har cellväggar. Dessa väggar, gjorda av peptidoglykan molekyler, ligger precis utanför cellmembranet, vilka celler av alla slag har. Peptidoglykaner består av en kombination av polysackaridsocker och proteinkomponenter; deras huvudsakliga uppgift är att ge bakterier skydd och stelhet och erbjuda en förankringspunkt för strukturer som pili och flagella, som har sitt ursprung i cellmembranet och sträcker sig genom cellväggen till den yttre miljön.

Om du var en mikrobiolog som verkade i ett svunnen århundrade och ville skapa ett läkemedel som skulle vara farligt för bakterieceller samtidigt som det mestadels var ofarligt för mänskliga celler och hade kunskap om respektive strukturer för dessa organismernas cellulära sammansättning, du kan gå igenom detta genom att designa eller hitta ämnen som är giftiga för cellväggar medan du sparar andra celler komponenter. I själva verket är det just så mycket antibiotika som fungerar: De riktar sig och förstör bakteriecellväggarna och dödar bakterierna som ett resultat. Penicilliner, som framkom i början av 1940-talet som den första klassen av antibiotika, agerar genom att hämma syntesen av peptidoglykanerna som utgör cellväggarna hos vissa, men inte alla, bakterier. De gör detta genom att inaktivera ett enzym som katalyserar en process som kallas tvärbindning i mottagliga bakterier. Under åren har antibiotikabehandling valt ut för bakterier som råkar producera ämnen som kallas beta-laktamaser, som riktar sig mot de "invaderande" penicillinerna. Således förblir ett långvarigt och oändligt "vapenlopp" mellan antibiotika och deras små, sjukdomsframkallande mål.

Vissa bakterier har externa strukturer som hjälper bakterierna att navigera i den fysiska världen. Till exempel, flagella (singular: flagellum) är piskliknande bifogar som ger ett medel för rörelse för bakterier som har dem, liknar grodyngel. Ibland finns de i ena änden av en bakteriecell; vissa bakterier har dem i båda ändar. Flagellen "slår" ungefär som en propeller gör det, så att bakterier kan "jaga" näringsämnen, "fly" från giftiga kemikalier eller röra sig mot ljus (vissa bakterier, kallas cyanobakterier, förlitar sig på fotosyntes för energi som växter gör och kräver därför regelbunden exponering för ljus).

Pili (singular: pilus), liknar strukturellt flagella, eftersom de är hårliknande utsprång som sträcker sig utåt från bakteriecellytan. Deras funktion är dock annorlunda. I stället för att hjälpa till med rörelse hjälper pili bakterier att fästa sig vid andra celler och ytor av olika kompositioner, inklusive stenar, tarmarna och till och med tänderna emalj. Med andra ord, de erbjuder "klibbighet" för bakterier på det sätt som de karakteristiska skalen av fåglar tillåter dessa organismer att fästa vid stenar. Utan pili är många patogena (dvs. sjukdomsframkallande) bakterier inte smittsamma, eftersom de inte kan fästa vid värdvävnader. En specialiserad typ av pili används för en process som kallas konjugation, där två bakterier utbyter delar av DNA.

En ganska djävulsk konstruktion av vissa bakterier är endosporer. Bacill och Clostridium arter kan producera dessa sporer, som är mycket värmebeständiga, uttorkade och inaktiva versioner av normala bakterieceller som skapas inuti cellerna. De innehåller sitt eget fullständiga genom och alla metaboliska enzymer. Nyckelfunktionen i endosporen är dess komplexa skyddande sporkåpa. Sjukdomen botulism orsakas av en Clostridium botulinum endospore, som utsöndrar ett dödligt ämne som kallas endotoxin.

Bakterier produceras genom en process som kallas binär fission, vilket helt enkelt betyder att man delar sig i hälften och skapar ett par celler som var och en är genetiskt identiska med modercellen. Denna asexuella form av reproduktion står i skarp kontrast till reproduktionen av eukaryoter, som är sexuell i att det involverar två moderorganismer som bidrar med lika mycket genetiskt material för att skapa en avkomma. Medan sexuell reproduktion på ytan kan verka besvärlig - trots allt, varför införa detta energiskt dyra steg om cellerna bara kan dela sig i stället? - det är en absolut försäkran om genetisk mångfald, och denna typ av mångfald är avgörande för artöverlevnad.

Tänk på det: Om varje människa var genetiskt identisk eller till och med nära, särskilt på nivåer av enzymer och proteiner kan du inte se men som tjänar viktiga metaboliska funktioner, skulle en enda typ av biologisk motståndare vara tillräcklig för att potentiellt utplåna allt mänskligheten. Du vet redan att människor skiljer sig åt i sin genetiska mottaglighet för vissa saker, från de stora (vissa människor kan dö av exponering för små exponeringar för allergener, inklusive jordnötter och bi-gift) till det relativt triviella (vissa människor kan inte smälta sockerlaktas, vilket gör dem oförmögna att konsumera mejeriprodukter utan allvarliga störningar i mag-tarmkanalen system). En art som åtnjuter mycket genetisk mångfald skyddas till stor del från utrotning, eftersom denna mångfald erbjuder den råvara som gynnsamma naturliga urvalstryck kan verka på. Om tio procent av befolkningen i en viss art råkar vara immun mot ett visst virus som arten ännu inte har upplevt, är detta bara en karaktär. Om, å andra sidan, viruset manifesterar sig i denna population kan det inte dröja länge innan denna händelse representerar 10 procent 100 procent av överlevande organismer i denna art.

Som ett resultat har bakterier utvecklat ett antal metoder för att säkerställa genetisk mångfald. Dessa inkluderar transformation, konjugation och transduktion. Inte alla bakterieceller kan använda sig av alla dessa processer, men mellan dem tillåter de alla bakteriearter att överleva i mycket större utsträckning än vad de annars skulle göra.

Transformation är processen att ta upp DNA från miljön, och den är uppdelad i naturliga och artificiella former. Vid naturlig omvandling internaliseras DNA från döda bakterier via cellmembranet, rensningsstil och införlivas i DNA för de överlevande bakterierna. Vid artificiell transformation introducerar forskare avsiktligt DNA i en värdbakterie, ofta E. coli (eftersom denna art har ett litet, enkelt genom som lätt kan manipuleras) för att studera dessa organismer eller skapa en önskad bakterieprodukt. Ofta är det införda DNA: t från en plasmid, en naturligt förekommande ring av bakteriellt DNA.

Konjugering är den process genom vilken en bakterie använder en pilus eller pili för att "injicera" DNA i en andra bakterie via direktkontakt. Det överförda DNA kan, som med artificiell transformation, vara en plasmid eller så kan det vara ett annat fragment. Det nyligen införda DNA: t kan innehålla en vital gen som kodar för proteiner som möjliggör antibiotikaresistens.

Slutligen är transduktion beroende av närvaron av ett invaderande virus som kallas bakteriofag. Virus förlitar sig på att levande celler ska replikera, även om de har genetiskt material, saknar de maskiner för att göra kopior av det. Dessa bakteriofager placerar sitt eget genetiska material i DNA för de bakterier de invaderar och styr bakterier för att skapa fler fager, vars genom sedan innehåller en blandning av det ursprungliga bakteriella DNA: t och bakteriofag-DNA. När dessa nya bakteriofager lämnar cellen kan de invadera andra bakterier och överföra DNA som förvärvats från den tidigare värden till den nya bakteriecellen.