ลักษณะของเซลล์แบคทีเรีย

เซลล์เป็นหน่วยพื้นฐานของชีวิต และด้วยเหตุนี้จึงเป็นองค์ประกอบที่ชัดเจนที่เล็กที่สุดของสิ่งมีชีวิตที่รักษาคีย์ทั้งหมด คุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิต ได้แก่ เมแทบอลิซึม ความสามารถในการสืบพันธุ์ และวิธีการรักษาสารเคมี สมดุล. เซลล์ก็เช่นกัน โปรคาริโอต, คำที่หมายถึงแบคทีเรียและสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่พูดพล่อยๆ หรือ ยูคาริโอต, ซึ่งหมายถึงพืช เชื้อรา และสัตว์

แบคทีเรียและเซลล์โปรคาริโอตอื่น ๆ นั้นง่ายกว่าในแทบทุกวิถีทางมากกว่าเซลล์ยูคาริโอต อย่างน้อยทุกเซลล์จะมีพลาสมาเมมเบรน ไซโทพลาซึมและสารพันธุกรรมในรูปของดีเอ็นเอ แม้ว่าเซลล์ยูคาริโอตจะมีองค์ประกอบที่หลากหลายนอกเหนือจากความจำเป็นเหล่านี้ แต่ทั้งสามสิ่งนี้มีส่วนสำคัญต่อเซลล์แบคทีเรียเกือบทั้งหมด อย่างไรก็ตาม เซลล์แบคทีเรียมีคุณสมบัติบางอย่างที่เซลล์ยูคาริโอตไม่มี โดยเฉพาะอย่างยิ่งผนังเซลล์ที่โดดเด่นที่สุด

สิ่งมีชีวิตที่มียูคาริโอตเพียงตัวเดียวสามารถมีเซลล์ได้หลายล้านล้านเซลล์ แม้ว่ายีสต์จะมีเซลล์เดียว ในทางกลับกัน เซลล์แบคทีเรียมีเซลล์เดียว ในขณะที่เซลล์ยูคาริโอตประกอบด้วยออร์แกเนลล์ที่จับกับเมมเบรนหลายชนิด เช่น นิวเคลียส ไมโทคอนเดรีย (ในสัตว์) คลอโรพลาสต์ (คำตอบของพืชต่อไมโตคอนเดรีย), กอลจิบอดี้, เอนโดพลาสมิกเรติคิวลัมและไลโซโซม, เซลล์แบคทีเรียไม่มี ออร์แกเนลล์ ทั้งยูคาริโอตและโปรคาริโอตรวมถึงไรโบโซม ซึ่งเป็นโครงสร้างเล็กๆ ที่มีหน้าที่ในการสังเคราะห์โปรตีน แต่สิ่งเหล่านี้คือ โดยทั่วไปแล้วจะมองเห็นได้ง่ายกว่าในยูคาริโอต เนื่องจากพวกมันจำนวนมากกระจุกตัวตามเอนโดพลาสมิกแบบริบบิ้น ตาข่าย

เป็นการง่ายที่จะถือว่าเซลล์แบคทีเรียและแบคทีเรียเองก็เป็น "ยุคดึกดำบรรพ์" เนื่องจากทั้งสองอายุวิวัฒนาการมากขึ้น (ประมาณ 3.5 พันล้านปี เทียบกับ ประมาณ 1.5 พันล้านสำหรับโปรคาริโอต) และความเรียบง่าย อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ทำให้เข้าใจผิดด้วยเหตุผลหลายประการ หนึ่งคือจากมุมมองที่แท้จริงของการอยู่รอดของสปีชีส์ ความซับซ้อนมากขึ้นไม่ได้แปลว่าแข็งแกร่งกว่าเสมอไป ในทุกโอกาส แบคทีเรียในกลุ่มจะมีอายุยืนยาวกว่ามนุษย์และสิ่งมีชีวิตที่ "สูงกว่า" อื่นๆ เมื่อสภาวะของโลกเปลี่ยนแปลงไปอย่างเพียงพอ เหตุผลประการที่สองก็คือ เซลล์แบคทีเรียถึงแม้จะเรียบง่าย แต่ก็มีกลไกการเอาชีวิตรอดที่หลากหลายซึ่งยูคาริโอตยังไม่มี

เซลล์แบคทีเรียมีรูปร่างพื้นฐานสามแบบ: คล้ายก้าน (แบคทีเรีย) กลม (ค็อกซี) และรูปร่างเกลียว (สไปริลลี) ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของเซลล์แบคทีเรียเหล่านี้มีประโยชน์ในการวินิจฉัยโรคติดเชื้อที่เกิดจากแบคทีเรียที่รู้จัก ตัวอย่างเช่น "คออักเสบ" เกิดจากสายพันธุ์ของ Streptococciซึ่งตามชื่อหมายถึงมีลักษณะกลมตามที่เป็น Staphylococci. แอนแทรกซ์เกิดจากบาซิลลัสขนาดใหญ่ และโรคไลม์เกิดจากสไปโรเชตซึ่งมีรูปทรงเกลียว นอกจากรูปร่างที่แตกต่างกันของเซลล์แต่ละเซลล์แล้ว เซลล์แบคทีเรียมักจะพบเป็นกลุ่มๆ ซึ่งโครงสร้างจะแตกต่างกันไปตามสายพันธุ์ที่เป็นปัญหา ก้านและต้นค็อคซีบางชนิดเติบโตเป็นสายโซ่ยาว ในขณะที่ค็อคซีอื่นๆ บางชนิดพบเป็นกลุ่มๆ ที่ชวนให้นึกถึงรูปร่างของเซลล์แต่ละเซลล์

เซลล์แบคทีเรียส่วนใหญ่สามารถอยู่ได้โดยอิสระจากสิ่งมีชีวิตอื่น ต่างจากไวรัส และไม่พึ่งพาสิ่งมีชีวิตอื่นๆ เพื่อความต้องการด้านการเผาผลาญหรือการสืบพันธุ์ อย่างไรก็ตามมีข้อยกเว้น บางชนิดของ Rickettsiae และ หนองในเทียม อยู่ในเซลล์บังคับ หมายความว่าพวกมันไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากต้องอาศัยเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเพื่อความอยู่รอด

การขาดนิวเคลียสของเซลล์แบคทีเรียเป็นสาเหตุที่ทำให้เซลล์โปรคาริโอตแตกต่างจาก เซลล์ยูคาริโอต เนื่องจากความแตกต่างนี้เห็นได้ชัดแม้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังขยายที่ค่อนข้างต่ำ อำนาจ แม้ว่า DNA ของแบคทีเรียจะไม่ถูกล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มนิวเคลียสเหมือนของยูคาริโอต แต่มีแนวโน้มที่จะรวมกลุ่มกันอย่างใกล้ชิด และการเกิดหยาบที่เกิดขึ้นนั้นเรียกว่านิวคลีโออยด์ มี DNA โดยรวมในเซลล์แบคทีเรียน้อยกว่าในเซลล์ยูคาริโอตมาก ถ้ายืดออกไปจนสุดทาง สารพันธุกรรมของยูคาริโอตทั่วไปหรือโครมาตินฉบับเดียวก็จะขยายไปถึง ประมาณ 1 มิลลิเมตร ในขณะที่แบคทีเรียจะมีขนาดประมาณ 1 ถึง 2 ไมโครเมตร - 500 ถึง 1,000 เท่า ความแตกต่าง สารพันธุกรรมของยูคาริโอตประกอบด้วยทั้ง DNA และโปรตีนที่เรียกว่าฮิสโตน ในขณะที่โพรคาริโอต DNA มีพอลิเอมีน (สารประกอบไนโตรเจน) และแมกนีเซียมไอออนที่เกี่ยวข้อง

บางทีความแตกต่างทางโครงสร้างที่ชัดเจนที่สุดระหว่างเซลล์แบคทีเรียกับเซลล์อื่นๆ ก็คือความจริงที่ว่าแบคทีเรียมีผนังเซลล์ กำแพงเหล่านี้สร้างจาก peptidoglycan โมเลกุลที่อยู่นอกเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งเซลล์ทุกชนิดมีลักษณะเด่น Peptidoglycans ประกอบด้วยส่วนผสมของน้ำตาลโพลีแซคคาไรด์และส่วนประกอบโปรตีน งานหลักของพวกเขาคือการเพิ่มการป้องกันและความแข็งแกร่งให้กับแบคทีเรียและให้จุดยึดสำหรับโครงสร้างเช่น pili และ flagella ซึ่งเกิดจากเยื่อหุ้มเซลล์และขยายผ่านผนังเซลล์ไปสู่สภาพแวดล้อมภายนอก

หากคุณเป็นนักจุลชีววิทยาที่ทำงานในศตวรรษก่อนและต้องการสร้างยาที่จะเป็นอันตรายต่อเซลล์แบคทีเรียในขณะที่ส่วนใหญ่ไม่เป็นอันตรายต่อเซลล์ของมนุษย์และมีความรู้ โครงสร้างที่เกี่ยวข้องขององค์ประกอบเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ คุณอาจดำเนินการนี้โดยการออกแบบหรือค้นหาสารที่เป็นพิษต่อผนังเซลล์ในขณะที่ประหยัดเซลล์อื่นๆ ส่วนประกอบ อันที่จริง นี่คือวิธีการทำงานของยาปฏิชีวนะอย่างแม่นยำ: พวกมันกำหนดเป้าหมายและทำลายผนังเซลล์ของแบคทีเรีย ส่งผลให้แบคทีเรียตาย เพนิซิลลินซึ่งเกิดขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1940 ในฐานะยาปฏิชีวนะชั้นหนึ่ง ทำหน้าที่ยับยั้งการสังเคราะห์เปปติโดไกลแคนที่ประกอบเป็นผนังเซลล์ของแบคทีเรียบางชนิด แต่ไม่ใช่ทั้งหมด พวกเขาทำเช่นนี้โดยหยุดการทำงานของเอนไซม์ที่กระตุ้นกระบวนการที่เรียกว่าการเชื่อมโยงข้ามในแบคทีเรียที่อ่อนแอ หลายปีที่ผ่านมา การให้ยาปฏิชีวนะได้เลือกแบคทีเรียที่ผลิตสารที่เรียกว่า beta-lactamases ซึ่งมุ่งเป้าไปที่การ "บุกรุก" ของเพนิซิลลิน ดังนั้น "การแข่งขันทางอาวุธ" ที่มีมายาวนานและไม่มีวันสิ้นสุดจึงยังคงมีผลระหว่างยาปฏิชีวนะกับเป้าหมายเล็กๆ ที่ก่อให้เกิดโรค

แบคทีเรียบางชนิดมีโครงสร้างภายนอกที่ช่วยแบคทีเรียในการนำทางของโลกทางกายภาพ ตัวอย่างเช่น, แฟลกเจลลา (เอกพจน์: แฟลเจลลัม) เป็นอวัยวะที่มีลักษณะคล้ายแส้ซึ่งให้วิธีการเคลื่อนที่สำหรับแบคทีเรียที่มีพวกมัน คล้ายกับของลูกอ๊อด บางครั้งพบได้ที่ปลายเซลล์แบคทีเรีย แบคทีเรียบางชนิดมีที่ปลายทั้งสองข้าง แฟลกเจลลา "เต้น" เหมือนกับใบพัด ทำให้แบคทีเรียสามารถ "ไล่" สารอาหาร "หนี" จากสารเคมีที่เป็นพิษหรือเคลื่อนเข้าหาแสง ไซยาโนแบคทีเรียอาศัยการสังเคราะห์ด้วยแสงสำหรับพลังงานเช่นเดียวกับพืช ดังนั้นจึงต้องได้รับแสงเป็นประจำ)

พิลิ (เอกพจน์: pilus) มีโครงสร้างคล้ายกับแฟลเจลลา เนื่องจากมีขนที่ยื่นออกมาจากผิวเซลล์แบคทีเรีย อย่างไรก็ตามหน้าที่ของพวกเขาแตกต่างกัน แทนที่จะช่วยในการเคลื่อนไหว พิลีช่วยให้แบคทีเรียเกาะติดกับเซลล์และพื้นผิวอื่นๆ ขององค์ประกอบต่างๆ รวมถึงหิน ลำไส้ของคุณ และแม้กระทั่งเคลือบฟันของคุณ กล่าวอีกนัยหนึ่ง พวกมันให้ "ความเหนียว" กับแบคทีเรียในลักษณะที่เปลือกของเพรียงที่มีลักษณะเฉพาะทำให้สิ่งมีชีวิตเหล่านี้เกาะติดกับหินได้ หากไม่มี pili แบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรค (เช่น ก่อโรค) จำนวนมากจะไม่ติดเชื้อ เนื่องจากไม่สามารถเกาะติดกับเนื้อเยื่อของโฮสต์ได้ พิลีชนิดพิเศษใช้สำหรับกระบวนการที่เรียกว่า ผันซึ่งแบคทีเรีย 2 ตัวจะแลกเปลี่ยน DNA บางส่วน

โครงสร้างที่ค่อนข้างโหดร้ายของแบคทีเรียบางชนิดคือเอนโดสปอร์ บาซิลลัส และ คลอสทริเดียม สปีชีส์สามารถผลิตสปอร์เหล่านี้ได้ ซึ่งเป็นเซลล์แบคทีเรียปกติที่ทนความร้อนสูง ขาดน้ำ และไม่ใช้งาน ซึ่งสร้างขึ้นภายในเซลล์ พวกมันมีจีโนมที่สมบูรณ์และเอ็นไซม์เมตาบอลิซึมทั้งหมด ลักษณะสำคัญของเอ็นโดสปอร์คือการเคลือบสปอร์ป้องกันที่ซับซ้อน โรคโบทูลิซึมเกิดจาก a คลอสทริเดียม โบทูลินัม เอนโดสปอร์ซึ่งหลั่งสารอันตรายที่เรียกว่าเอนโดท็อกซิน

แบคทีเรียผลิตโดยกระบวนการที่เรียกว่าฟิชชันแบบไบนารี ซึ่งหมายถึงการแบ่งครึ่งและสร้างเซลล์คู่หนึ่งซึ่งแต่ละเซลล์มีลักษณะทางพันธุกรรมเหมือนกันกับเซลล์ต้นกำเนิด รูปแบบการสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศนี้แตกต่างอย่างมากกับการสืบพันธุ์ของยูคาริโอต ซึ่งเป็นการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศ ว่าเกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตแม่สองคนซึ่งมีสารพันธุกรรมในปริมาณที่เท่ากันเพื่อสร้าง ลูกหลาน แม้ว่าการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศบนพื้นผิวอาจดูยุ่งยาก แต่ทำไมต้องแนะนำขั้นตอนที่มีค่าใช้จ่ายสูงนี้ ถ้าเซลล์สามารถแบ่งครึ่งแทนได้ – เป็นการประกันความหลากหลายทางพันธุกรรมอย่างแท้จริง และความหลากหลายประเภทนี้มีความจำเป็นต่อการอยู่รอดของสายพันธุ์

ลองคิดดู ถ้ามนุษย์ทุกคนมีพันธุกรรมเหมือนกันหรือใกล้เคียงกัน โดยเฉพาะในระดับของเอนไซม์และโปรตีนที่คุณมองไม่เห็น แต่นั่นก็ทำหน้าที่เมแทบอลิซึมที่สำคัญ ดังนั้นศัตรูทางชีววิทยาประเภทเดียวก็เพียงพอที่จะกำจัดทั้งหมด มนุษยชาติ คุณรู้อยู่แล้วว่ามนุษย์มีความอ่อนไหวทางพันธุกรรมในบางสิ่งต่างกันไปจากสิ่งหลัก (บางคนอาจเสียชีวิตจากการสัมผัสกับสารก่อภูมิแพ้เล็กน้อยรวมถึงถั่วลิสง และพิษผึ้ง) ค่อนข้างน้อย (บางคนไม่สามารถย่อยน้ำตาลแลคเตสทำให้ไม่สามารถบริโภคผลิตภัณฑ์จากนมได้โดยไม่กระทบกระเทือนทางเดินอาหารอย่างรุนแรง ระบบ) สปีชีส์ที่มีความหลากหลายทางพันธุกรรมอย่างมากได้รับการปกป้องจากการสูญพันธุ์เป็นส่วนใหญ่ เนื่องจากความหลากหลายนี้นำเสนอวัตถุดิบที่แรงกดดันจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติที่ดีสามารถกระทำได้ หาก 10 เปอร์เซ็นต์ของประชากรในสปีชีส์หนึ่งๆ มีภูมิต้านทานต่อไวรัสบางชนิดที่สปีชีส์นั้นยังไม่เคยสัมผัส นี่ก็เป็นเพียงเรื่องแปลก ในทางกลับกัน หากไวรัสปรากฏตัวในประชากรกลุ่มนี้ อาจไม่นานก่อนที่เหตุการณ์นี้จะเกิดขึ้น 10 เปอร์เซ็นต์จะหมายถึง 100 เปอร์เซ็นต์ของสิ่งมีชีวิตที่รอดตายในสายพันธุ์นี้

ด้วยเหตุนี้ แบคทีเรียจึงมีการพัฒนาวิธีการต่างๆ เพื่อสร้างความมั่นใจในความหลากหลายทางพันธุกรรม ได้แก่ การผันแปร และ การถ่ายโอน. ไม่ใช่ว่าทุกเซลล์ของแบคทีเรียจะสามารถใช้กระบวนการเหล่านี้ได้ทั้งหมด แต่ระหว่างเซลล์เหล่านี้ เซลล์เหล่านี้ยอมให้แบคทีเรียทุกสายพันธุ์สามารถอยู่รอดได้ในระดับที่สูงกว่าที่พวกมันจะเป็นอย่างอื่น

การเปลี่ยนแปลงเป็นกระบวนการในการดึง DNA จากสิ่งแวดล้อม และแบ่งออกเป็นรูปแบบธรรมชาติและประดิษฐ์ ในการเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติ DNA จากแบคทีเรียที่ตายแล้วจะถูกฝังอยู่ภายในผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งมีลักษณะเป็นสัตว์กินของเน่าเสีย และรวมเข้ากับ DNA ของแบคทีเรียที่รอดตาย ในการแปลงร่างเทียม นักวิทยาศาสตร์ตั้งใจนำ DNA เข้าไปในแบคทีเรียที่เป็นโฮสต์ บ่อยครั้ง อี โคไล (เพราะว่าสปีชีส์นี้มีจีโนมธรรมดาขนาดเล็กที่จัดการได้ง่าย) เพื่อศึกษาสิ่งมีชีวิตเหล่านี้หรือสร้างผลิตภัณฑ์แบคทีเรียที่ต้องการ บ่อยครั้ง DNA ที่แนะนำมาจาก a พลาสมิด วงแหวน DNA ของแบคทีเรียที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ

การผันคำกริยาเป็นกระบวนการที่แบคทีเรียหนึ่งตัวใช้ pilus หรือ pili เพื่อ "ฉีด" DNA เข้าไปในแบคทีเรียตัวที่สองโดยการสัมผัสโดยตรง DNA ที่ส่งผ่านอาจเป็นพลาสมิดหรืออาจเป็นชิ้นส่วนที่แตกต่างกัน DNA ที่เพิ่งเปิดตัวใหม่อาจรวมถึงยีนที่สำคัญซึ่งเข้ารหัสโปรตีนเพื่อให้สามารถต้านทานยาปฏิชีวนะได้

ในที่สุด การถ่ายทอดสัญญาณอาศัยการมีอยู่ของไวรัสที่เรียกว่า bacteriophage ไวรัสอาศัยเซลล์ที่มีชีวิตในการทำซ้ำ เพราะถึงแม้จะมีสารพันธุกรรม แต่ก็ไม่มีกลไกในการทำสำเนา แบคทีเรียเหล่านี้ใส่สารพันธุกรรมของตัวเองเข้าไปใน DNA ของแบคทีเรียที่พวกมันบุกรุกและควบคุม แบคทีเรียเพื่อสร้างฟาจมากขึ้น ซึ่งจีโนมของแบคทีเรียจะประกอบด้วย DNA ของแบคทีเรียดั้งเดิมและ ดีเอ็นเอของแบคทีเรีย เมื่อแบคทีเรียชนิดใหม่เหล่านี้ออกจากเซลล์ พวกมันสามารถบุกรุกแบคทีเรียอื่นๆ และส่ง DNA ที่ได้มาจากโฮสต์ก่อนหน้าไปยังเซลล์แบคทีเรียใหม่