Conţinut
- Bazele celulare
- O grundă de celule bacteriene
- Peretele celular bacterian
- Flagella, Pili și Endospores
- Reproducerea bacteriană
Celulele sunt unitățile fundamentale ale vieții și, ca atare, sunt cele mai mici elemente distincte ale ființelor vii, care păstrează toate proprietățile cheie asociate cu lucrurile vii, inclusiv metabolismul, capacitatea de reproducere și un mijloc de menținere a echilibrului chimic. Celulele sunt fie procariote, un termen care se referă la bacterii și la smulgerea organismelor unicelulare sau eucariotă, care se referă la plante, ciuperci și animale.
Celulele bacteriene și alte celule procariote sunt mult mai simple în aproape toate felurile decât omologii lor eucariote. Toate celulele cel puțin includ o membrană plasmatică, citoplasmă și material genetic sub formă de ADN. În timp ce celulele eucariote prezintă o mare varietate de elemente dincolo de aceste elemente esențiale, aceste trei lucruri reprezintă aproape totalitatea celulelor bacteriene. Cu toate acestea, celulele bacteriene includ câteva caracteristici care nu includ celulele eucariote, mai ales un perete celular.
Bazele celulare
Un singur organism eucariotic poate avea trilioane de celule, deși drojdia este unicelulară; celulele bacteriene, pe de altă parte, au o singură celulă. În timp ce celulele eucariote includ o varietate de organule legate de membrană, cum ar fi nucleul, mitocondriile (la animale), cloroplastele (plantele răspund la mitocondrii), corpurile Golgi, reticulul endoplasmatic și lizozomii, celulele bacteriene nu au organele. Atât eucariotele cât și procariotele includ ribozomii, structurile minuscule responsabile de sinteza proteinelor, dar acestea sunt vizualizate în mod tipic mai ușor în eucariote, deoarece multe dintre acestea se grupează de-a lungul reticulului endoplasmatic liniar, asemănător panglicii.
Este ușor să consideri celulele bacteriene și bacteriile în sine, ca fiind „primitive”, atât datorită vârstei lor evolutive mai mari (aproximativ 3,5 miliarde de ani, față de aproximativ 1,5 miliarde pentru procariote), cât și simplității lor. Totuși, acest lucru este înșelător din mai multe motive. Unul este că, din punct de vedere pur al supraviețuirii speciilor, mai complex nu înseamnă neapărat mai robust; după toate probabilitățile, bacteriile ca grup vor depăși oamenii și alte organisme „superioare” odată ce condițiile de pe Pământ se vor schimba suficient. Un al doilea motiv este că celulele bacteriene, deși simple, au evoluat o varietate de mecanisme puternice de supraviețuire pe care eucariotele nu le au.
O grundă de celule bacteriene
Celulele bacteriene au trei forme de bază: în formă de tijă (bacilii), rotunzi (cocci) și în formă de spirală (spirilli). Aceste caracteristici morfologice ale celulelor bacteriene pot fi utile în diagnosticarea bolilor infecțioase cauzate de bacteriile cunoscute. De exemplu, „strept gâtul” este cauzat de specii de streptococi, care, după cum sugerează și numele, sunt rotunde, așa cum sunt Stafilococii. Antraxul este cauzat de un bacil mare, iar boala Lyme este cauzată de o spirochetă, care are formă de spirală. În plus față de diferitele forme ale celulelor individuale, celulele bacteriene tind să se găsească în grupuri, a căror structură variază în funcție de specia în cauză. Unele tije și cocci cresc în lanțuri lungi, în timp ce anumiți cocci se găsesc în clustere care amintesc oarecum de forma celulelor individuale.
Majoritatea celulelor bacteriene, spre deosebire de viruși, pot trăi independent de alte organisme și nu depind de alte lucruri vii pentru nevoile metabolice sau de reproducere. Cu toate acestea, există excepții; unele specii de rickettsii și chlamidii sunt în mod obligatoriu intracelulare, ceea ce înseamnă că nu au altă opțiune decât să locuiască celulele vieții pentru a supraviețui.
Lipsa de nucleu a celulelor bacteriene este motivul pentru care celulele procariote s-au diferențiat inițial de celulele eucariote, deoarece această diferență este evidentă chiar și la microscopurile cu putere de mărire relativ redusă. ADN-ul bacterian, deși nu este înconjurat de o membrană nucleară precum cea a eucariotei, totuși tinde să se aglomereze îndeaproape, iar formarea brută rezultată este numită nucleoid. În general, în celulele bacteriene există mult mai puțin ADN decât celulele eucariote; Dacă s-ar întinde de la capăt la capăt, o singură copie a materialului genetic eucariote tipice, sau cromatină, s-ar întinde până la aproximativ 1 milimetru, în timp ce cea a unei bacterii ar fi cuprinsă între 1 și 2 micrometri - o diferență de 500 până la 1.000 de ori. Materialul genetic al eucariotelor include atât ADN-ul în sine, cât și proteinele numite histone, în timp ce ADN-ul procariot are câteva poliamine (compuși de azot) și ioni de magneziu asociați cu acesta.
Peretele celular bacterian
Poate cea mai evidentă diferență structurală între celulele bacteriene și celelalte celule este faptul că bacteriile posedă pereți celulari. Aceste ziduri, realizate din peptidoglican molecule, se află chiar în afara membranei celulare, care prezintă celule de toate tipurile. Peptidoglicanii constau dintr-o combinație de zaharuri polizaharidice și componente proteice; principalul lor loc de muncă este să adauge protecție și rigiditate bacteriilor și să ofere un punct de ancorare pentru structuri precum pili și flageli, care își au originea în membrana celulară și se extind prin peretele celular la mediul extern.
Dacă ați fost un microbiolog care a funcționat într-un secol trecut și ați dorit să creați un medicament care ar fi periculos pentru celulele bacteriene, în timp ce în mare parte inofensiv pentru celulele umane și ați cunoscut structurile respective ale acestor compoziții celulare ale organismelor, puteți să faceți acest lucru prin proiectarea sau găsirea substanțelor care sunt toxice pentru pereții celulelor în timp ce scutește alte componente celulare. De fapt, tocmai acesta funcționează o mulțime de antibiotice: Ei țintesc și distrug pereții celulelor bacteriei, ucigând bacteriile ca urmare. peniciline, care a apărut la începutul anilor 1940 ca fiind prima clasă de antibiotice, acționează prin inhibarea sintezei peptidoglicanilor care alcătuiesc pereții celulari a unor bacterii, dar nu a tuturor. Ei fac acest lucru prin inactivarea unei enzime care catalizează un proces numit reticulare în bacteriile sensibile. De-a lungul anilor, administrarea de antibiotice a fost selectată pentru bacteriile care se întâmplă să producă substanțe numite beta-lactamaze, care vizează penicilinele „invadatoare”. Astfel, rămâne în vigoare o „cursă a armelor” de lungă durată și fără sfârșit între antibiotice și țintele lor minuscule, cauzatoare de boli.
Flagella, Pili și Endospores
Unele bacterii prezintă structuri externe care ajută bacteriile în navigarea lor în lumea fizică. De exemplu, flageli (singular: flagel) sunt apendicele asemănătoare cu biciul care oferă un mijloc de locomoție pentru bacteriile care le posedă, similar cu cel al mormolelor. Uneori se găsesc la un capăt al unei celule bacteriene; unele bacterii le au la ambele capete. Flagella „bate” la fel cum face o elică, permițând bacteriilor să „alunge” substanțele nutritive, să „scape” de substanțele chimice toxice sau să se deplaseze spre lumină (unele bacterii, numite cianobacteriilor, bazați-vă pe fotosinteză pentru energia așa cum o fac plantele și, prin urmare, necesită expunere regulată la lumină).
Pili (singular: pilus), sunt structurale asemănătoare cu flagelele, deoarece sunt proiecții de păducel care se extind spre exterior de pe suprafața celulelor bacteriene. Funcția lor este însă diferită. În loc să ajute la locomoție, pilul ajută bacteriile să se atașeze de alte celule și suprafețe ale diferitelor compoziții, inclusiv roci, intestine și chiar smalțul dinților. Cu alte cuvinte, ele oferă „lipicioarea” bacteriilor, în modul în care cojile caracteristice ale barnacles permit acestor organisme să adere la roci. Fără pili, multe bacterii patogene (adică, cauzatoare de boli) nu sunt infecțioase, deoarece nu pot adera la țesuturile gazdă. Un tip specializat de pili sunt folosiți pentru un proces numit conjugare, în care două bacterii schimbă porțiuni de ADN.
O construcție destul de diabolică a anumitor bacterii sunt endosporesele. bacil și Clostridium speciile pot produce aceste spori, care sunt foarte rezistente la căldură, deshidratate și inactive versiuni ale celulelor bacteriene normale, care sunt create în interiorul celulelor. Acestea conțin propriul genom complet și toate enzimele metabolice. Caracteristica cheie a endosporului este stratul său protector complex de spori. Botulismul bolii este cauzat de a Clostridium botulinum endospore, care secretă o substanță mortală numită endotoxină.
Reproducerea bacteriană
Bacteriile se produc printr-un proces numit fisiune binară, care înseamnă pur și simplu împărțirea în jumătate și crearea unei perechi de celule care sunt fiecare identice genetic cu celula mamă. Această formă asexuală de reproducere este în contrast puternic cu reproducerea eucariotei, care este sexuală prin faptul că implică două organisme părinte care contribuie cu o cantitate egală de material genetic pentru a crea o descendență. În timp ce reproducerea sexuală la suprafață poate părea greoaie - la urma urmei, de ce să introduci acest pas energetic costisitor, dacă celulele se pot împărți doar la jumătate? - este o asigurare absolută a diversității genetice, iar acest tip de diversitate este esențial pentru supraviețuirea speciilor.
Gândiți-vă: Dacă fiecare ființă umană ar fi identică genetic sau chiar apropiată, în special la nivelul enzimelor și proteinelor pe care nu le puteți vedea, dar care servesc funcții metabolice vitale, atunci un singur tip de adversar biologic ar fi suficient pentru a șterge întreaga omenire. . Știți deja că oamenii diferă în sensibilitatea lor genetică la anumite lucruri, de la major (unele persoane pot muri de la expunerea la expuneri mici la alergeni, inclusiv arahide și venin de albine) până la relativ banale (unele persoane nu pot digera zahăr lactază, ceea ce face aceștia nu pot consuma produse lactate fără întreruperi grave ale sistemelor lor gastro-intestinale). O specie care se bucură de o mare diversitate genetică este protejată în mare măsură de dispariție, deoarece această diversitate oferă materia primă asupra căreia pot acționa presiuni favorabile de selecție naturală. Dacă 10 la sută din populația unei specii date se întâmplă să fie imună la un anumit virus pe care specia nu l-a experimentat încă, aceasta este o simplă infuzie. Dacă, pe de altă parte, virusul se manifestă în această populație, s-ar putea să nu treacă mult până la această întâmplare 10% reprezintă 100% din organismele supraviețuitoare din această specie.
Ca urmare, bacteriile au evoluat o serie de metode pentru asigurarea diversității genetice. Acestea includ transformare, conjugare și transducție. Nu toate celulele bacteriene pot folosi toate aceste procese, dar între ele, acestea permit tuturor speciilor bacteriene să supraviețuiască într-o măsură mult mai mare decât ar fi altfel.
Transformarea este procesul de preluare a ADN-ului din mediu și este împărțit în forme naturale și artificiale. În transformarea naturală, ADN-ul provenit de la bacteriile moarte este interiorizat prin membrana celulară, în stilul sondajului, și încorporat în ADN-ul bacteriilor supraviețuitoare. În transformarea artificială, oamenii de știință introduc intenționat ADN-ul într-o bacterie gazdă, deseori E coli (deoarece această specie are un genom mic, simplu, care este ușor de manipulat) pentru a studia aceste organisme sau pentru a crea un produs bacterian dorit. Adesea, ADN-ul introdus provine din a plasmidă, un inel natural de ADN bacterian.
Conjugarea este procesul prin care o bacterie folosește un pilus sau un pili pentru a „injecta” ADN-ul într-o a doua bacterie prin contact direct. ADN-ul transmis, la fel ca în cazul transformării artificiale, poate fi o plasmidă sau poate fi un fragment diferit. ADN-ul recent introdus poate include o genă vitală care codifică proteinele care permit rezistența la antibiotice.
În cele din urmă, transducția se bazează pe prezența unui virus invadator numit bacteriofag. Virusurile se bazează pe celulele vii pentru a se reproduce deoarece, deși posedă material genetic, le lipsește utilajul pentru a face copii ale acestuia. Aceste bacteriofage plasează propriul material genetic în ADN-ul bacteriilor pe care le invadează și direcționează bacteriile pentru a face mai mulți fagi, genomii care conțin apoi un amestec de ADN-ul bacterian original și ADN-ul bacteriofagului. Când acești bacteriofagi părăsesc celula, ei pot invada alte bacterii și pot transmite ADN-ul achiziționat de la gazda anterioară în noua celulă bacteriană.