Характеристика бактеріальної клітини

Клітини є основними одиницями життя, і як такі є найдрібнішими окремими елементами живих істот, які зберігають усі ключові властивості, пов’язані з живими істотами, включаючи обмін речовин, здатність до розмноження та засіб підтримки хімічних речовин баланс. Клітини є або прокаріотичний, термін, що відноситься до бактерій та розмивання одноклітинних організмів, або еукаріотичний, що стосується рослин, грибів та тварин.

Бактеріальні та інші прокаріотичні клітини набагато простіші майже у всіх відношеннях, ніж їхні еукаріотичні аналоги. Усі клітини мінімум включають плазматичну мембрану, цитоплазму та генетичний матеріал у формі ДНК. У той час як еукаріотичні клітини містять широкий спектр елементів, що перевищують ці найважливіші, ці три речі становлять майже цілісність бактеріальних клітин. Бактеріальні клітини, однак, мають кілька особливостей, яких еукаріотичні клітини не мають, особливо клітинна стінка.

В одному еукаріотичному організмі можуть бути трильйони клітин, хоча дріжджі є одноклітинними; бактеріальні клітини, навпаки, мають лише одну клітину. Тоді як еукаріотичні клітини включають різноманітні мембранно зв’язані органели, такі як ядро, мітохондрії (у тварин), хлоропласти (відповідь рослин на мітохондрії), тіла Гольджі, ендоплазматичний ретикулум та лізосоми, бактеріальні клітини не мають органели. І еукаріоти, і прокаріоти включають рибосоми - крихітні структури, що відповідають за синтез білка, але це як правило, легше візуалізується у еукаріотів, оскільки стільки з них скупчується вздовж лінійної, стрічкоподібної ендоплазматичної сітчаста сітка.

Легко розглядати бактеріальні клітини та самі бактерії як "примітивні", як завдяки їхньому більшому еволюційному віку (близько 3,5 мільярда років проти. близько 1,5 млрд. для прокаріотів) та їх простота. Однак це вводить в оману з ряду причин. Одне з них полягає в тому, що, з чистої точки зору виживання видів, складніший не обов’язково означає більш стійкий; швидше за все, бактерії як група переживуть людей та інші "вищі" організми, як тільки умови на Землі досить зміниться. Друга причина полягає в тому, що бактеріальні клітини, хоча і прості, розвинули різноманітні потужні механізми виживання, яких у еукаріотів немає.

Бактеріальні клітини бувають трьох основних форм: паличкоподібні (бацили), круглі (коки) та спіралеподібні (спірілли). Ці морфологічні характеристики бактеріальних клітин можуть бути корисними для діагностики інфекційних захворювань, спричинених відомими бактеріями. Наприклад, "стрептокок в горлі" викликається видами Стрептококи, які, як випливає з назви, круглі, як і Стафілококи. Сибірська виразка спричинена великою паличкою, а хвороба Лайма - спірохетою, яка має спіралеподібну форму. На додаток до різної форми окремих клітин, бактеріальні клітини, як правило, містяться в скупченнях, структура яких змінюється залежно від виду, про який йдеться. Деякі палички та коки ростуть довгими ланцюгами, тоді як деякі інші коки містяться в скупченнях, що чимось нагадує форму окремих клітин.

Більшість бактеріальних клітин можуть, на відміну від вірусів, жити незалежно від інших організмів і не залежати від інших живих істот для метаболічних або репродуктивних потреб. Однак винятки існують; деякі види Рікетсії і Хламідії є внутрішньоклітинними, що означає, що у них немає іншого вибору, крім як заселяти клітини живих істот, щоб вижити.

Відсутність ядра в бактеріальних клітинах є причиною, по якій спочатку відрізняли клітини прокаріотів еукаріотичні клітини, оскільки ця різниця очевидна навіть під мікроскопами із порівняно низьким збільшенням потужність. Бактеріальна ДНК, хоча і не оточена ядерною мембраною, такою як у еукаріотів, тим не менш має тенденцію до щільного скупчення, і отримане грубе утворення називається нуклеоїдом. В цілому в бактеріальних клітинах значно менше ДНК, ніж в еукаріотичних клітинах; якщо розтягнути кінець в кінець, одна копія генетичного матеріалу типового еукаріроту, або хроматин, тягнеться до приблизно 1 міліметр, тоді як у бактерії буде приблизно 1-2 міліметри - в 500-1000 разів різниця. Генетичний матеріал еукаріотів включає як саму ДНК, так і білки, які називаються гістонами, тоді як прокаріотична ДНК містить кілька поліамінів (сполук азоту) та іонів магнію, пов’язаних із нею.

Мабуть, найбільш очевидною структурною різницею між бактеріальними клітинами та іншими клітинами є той факт, що бактерії мають клітинні стінки. Ці стіни, зроблені з пептидоглікан молекули лежать безпосередньо поза клітинної мембрани, в якій є клітини всіх типів. Пептидоглікани складаються з комбінації полісахаридних цукрів та білкових компонентів; їх основна робота - додати захист і жорсткість бактеріям і запропонувати точку кріплення для таких структур, як пілі та джгутики, які беруть початок у клітинній мембрані та простягаються крізь клітинну стінку до зовнішнього середовища.

Якби ви були мікробіологом, що діяв у минулому столітті, і хотіли створити препарат, який був би небезпечним для бактеріальних клітин, в той час як в основному нешкідливий для клітин людини, і мав би знання про відповідних структур клітинного складу цих організмів, ви можете зробити це, розробивши або знайшовши речовини, токсичні для клітинних стінок, щадячи інші клітини компоненти. Насправді саме так діє багато антибіотиків: вони націлюються і руйнують клітинні стінки бактерій, в результаті чого бактерії вбивають. Пеніциліни, який з’явився на початку 1940-х років як перший клас антибіотиків, пригнічуючи синтез пептидогліканів, що складають клітинні стінки деяких, але не всіх, бактерій. Вони роблять це, інактивуючи фермент, який каталізує процес, званий зшиванням у сприйнятливих бактерій. Протягом багатьох років введення антибіотиків відбирало бактерії, які продукують речовини, звані бета-лактамазами, які націлені на «вторгнення» пеніцилінів. Таким чином, між антибіотиками та їхніми крихітними цілями, що викликають хвороби, залишається чинною давня і нескінченна "гонка озброєнь".

Деякі бактерії мають зовнішні структури, які допомагають бактеріям в їх орієнтації у фізичному світі. Наприклад, джгутики (однина: джгутик) - це схожі на батоги придатки, що забезпечують засіб руху для бактерій, що їх володіють, подібне до того, як у пуголовків. Іноді вони виявляються на одному кінці бактеріальної клітини; деякі бактерії мають їх на обох кінцях. Джгутики "б'ються" так само, як і пропелер, дозволяючи бактеріям "переслідувати" поживні речовини, "рятуватися" від токсичних хімічних речовин або рухатися до світла (деякі бактерії, ціанобактерії, покладайтеся на фотосинтез для отримання енергії, як це роблять рослини, і тому вимагають регулярного впливу світла).

Пілі (однина: pilus) за своєю структурою схожі на джгутики, оскільки вони мають вигляд, схожий на волосся, що виходить назовні від поверхні клітин бактерій. Однак їх функція різна. Замість того, щоб допомагати локомоції, пілі допомагають бактеріям прикріплюватися до інших клітин і поверхонь різного складу, включаючи гірські породи, кишечник і навіть емаль ваших зубів. Іншими словами, вони пропонують «липкість» до бактерій таким чином, як характерні оболонки черепашок дозволяють цим організмам прилипати до гірських порід. Без пілі багато патогенних (тобто хвороботворних) бактерій не є інфекційними, оскільки вони не можуть прилипати до тканин господаря. Спеціалізований тип пілі використовується для процесу, який називається спряження, в якому дві бактерії обмінюються порціями ДНК.

Досить диявольською конструкцією певних бактерій є ендоспори. Паличка і Клострідій види можуть виробляти ці спори, які є високостійкими, зневодненими та неактивними версіями нормальних бактеріальних клітин, що створюються всередині клітин. Вони містять власний повний геном і всі метаболічні ферменти. Ключовою особливістю ендоспори є її складний захисний споровий шар. Захворювання ботулізм викликане a Clostridium botulinum ендоспора, яка виділяє смертельну речовину, яка називається ендотоксином.

Бактерії виробляються в процесі, який називається бінарним діленням, що просто означає розщеплення навпіл і створення пари клітин, кожна з яких генетично ідентична батьківській клітині. Ця безстатева форма розмноження різко контрастує із розмноженням еукаріотів, яке є статевим що в ньому беруть участь два материнські організми, які вносять однакову кількість генетичного матеріалу для створення потомство. Хоча статеве розмноження на поверхні може здатися громіздким - зрештою, навіщо вводити цей енергетично дорогий крок, якщо клітини замість цього можуть просто розділитися навпіл? - це абсолютна гарантія генетичного різноманіття, і цей різновид різноманітності має важливе значення для виживання видів.

Подумайте: якби кожна людина була генетично однаковою або навіть близькою, особливо на рівні ферментів та білків, яких ви не бачите але які служать життєво важливим метаболічним функціям, тоді одного типу біологічного супротивника буде достатньо, щоб потенційно знищити всі людство. Ви вже знаєте, що люди відрізняються за своєю генетичною сприйнятливістю до певних речей, від основних (деякі люди можуть померти від впливу невеликого впливу алергенів, включаючи арахіс і бджолину отруту) до відносно тривіальної (деякі люди не можуть перетравлювати цукрову лактазу, що робить їх не в змозі споживати молочні продукти без серйозних порушень у роботі шлунково-кишкового тракту системи). Вид, який користується великим генетичним різноманіттям, в основному захищений від зникнення, оскільки це різноманіття пропонує сировину, на яку може діяти сприятливий природний тиск відбору. Якщо 10 відсотків популяції даного виду виявляється імунітетом до певного вірусу, який вид ще не зазнав, це просто химерність. Якщо, з іншого боку, вірус проявляється в цій популяції, може пройти незабаром, коли ця випадковість 10 відсотків представляє 100 відсотків вижилих організмів цього виду.

В результаті бактерії розвинули ряд методів забезпечення генетичного різноманіття. До них належать перетворення, спряження і трансдукція. Не всі бактеріальні клітини можуть використовувати всі ці процеси, але між ними вони дозволяють виживати всім бактеріальним видам набагато більшій мірі, ніж вони могли б.

Трансформація - це процес виведення ДНК із навколишнього середовища, і вона поділяється на природну та штучну форми. При природному перетворенні ДНК від мертвих бактерій інтерналізується через клітинну мембрану за стирком і включається в ДНК вижилих бактерій. Штучно перетворюючи, вчені навмисно часто вводять ДНК у бактерію-хазяїна E. coli (оскільки цей вид має невеликий, простий геном, яким легко маніпулювати) для вивчення цих організмів або створення бажаного бактеріального продукту. Часто введена ДНК є з плазміда, природне кільце бактеріальної ДНК.

Кон'югація - це процес, за допомогою якого одна бактерія використовує pilus або pili для «ін’єкції» ДНК у другу бактерію шляхом прямого контакту. Передана ДНК може, як і при штучному перетворенні, бути плазмідою або це може бути інший фрагмент. Щойно введена ДНК може включати життєво важливий ген, який кодує білки, що забезпечують стійкість до антибіотиків.

Нарешті, трансдукція залежить від присутності вірусу, що вторгся, іменованого бактеріофагом. Віруси покладаються на розмноження живих клітин, оскільки, хоча вони мають генетичний матеріал, їм не вистачає техніки для його копіювання. Ці бактеріофаги розміщують власний генетичний матеріал у ДНК бактерій, які вони вторглись, і спрямовують їх бактерій, щоб утворити більше фагів, геноми яких потім містять суміш вихідної бактеріальної ДНК та ДНК бактеріофагів. Коли ці нові бактеріофаги залишають клітину, вони можуть вторгнутися в інші бактерії і передати ДНК, отриману від попереднього господаря, в нову бактеріальну клітину.