Характеристики прокаріотних клітин, клітинна структура, типи



The прокариотические клітини вони є простими структурами і без ядра, обмеженого плазматичною мембраною. Організми, пов'язані з цим типом клітин, є одноклітинні, хоча вони можуть бути згруповані і утворювати вторинні структури, такі як ланцюги.

З трьох областей життя, запропонованих Карлом Вузе, прокаріоти відповідають Бактеріям і Археям. Решта домен, Eucarya, складається з еукаріотичних клітин, більших, більш складних і з розділеним ядром.

Однією з найважливіших дихотомій в біологічних науках є відмінність між еукаріотичною клітиною та прокаріотною клітиною. Історично прокаріотний організм вважається простим, без внутрішньої організації, без органел і без цитоскелету. Однак нові свідчення руйнують ці парадигми.

Наприклад, структури були ідентифіковані в прокаріотів, які потенційно можуть розглядатися як органели. Аналогічно, були виявлені білки, гомологічні білкам еукаріотів, які утворюють цитоскелет.

Прокаріоти дуже різноманітні у своєму харчуванні. Вони можуть використовувати світло від Сонця і енергію, що міститься в хімічних зв'язках, як джерело енергії. Вони можуть також використовувати різні джерела вуглецю, такі як вуглекислий газ, глюкоза, амінокислоти, білки, серед інших..

Прокаріот розділяється асексуально бінарним поділом. У цьому процесі організм реплікує свою кругову ДНК, збільшує її обсяг і остаточно ділить її на дві однакові клітини.

Однак існують механізми обміну генетичного матеріалу, які генерують мінливість у бактеріях, таких як трансдукція, кон'югація та трансформація.

Індекс

  • 1 Загальна характеристика
  • 2 Структура
  • 3 Типи прокаріотів
  • 4 Морфологія прокаріотів
  • 5 Відтворення
    • 5.1 Безстатеве розмноження
    • 5.2 Додаткові джерела генетичної мінливості
  • 6 Харчування
    • 6.1 Поживні категорії
    • 6.2 Фотоавтотрофи
    • 6.3 Фотогетеротрофи
    • 6.4 Хемоавтотрофи
    • 6.5 Хемогетеротрофи
  • 7 Метаболізм
  • 8 Фундаментальні відмінності з еукаріотичними клітинами
    • 8.1 Розмір і складність
    • 8.2 Ядро
    • 8.3 Організація генетичного матеріалу
    • 8.4 Ущільнення генетичного матеріалу
    • 8.5 Органели
    • 8.6 Структура рибосоми
    • 8.7 Клітинна стінка
    • 8.8 Поділ клітин
  • 9 Філогенія та класифікація
  • 10 Нові перспективи
    • 10.1 Органели в прокаріотів
    • 10.2 Магнітосоми
    • 10.3 Фотосинтетичні мембрани
    • 10.4 Відсіки в планктоміцетах
    • 10.5 Компоненти цитоскелету
  • 11 Посилання

Загальна характеристика

Прокаріоти є відносно простими одноклітинними організмами. Найбільш видатною характеристикою цієї групи є відсутність справжнього ядра. Вони поділяються на дві великі гілки: справжні бактерії або еубактерії і архебактерії.

Вони колонізували майже всі можливі середовища проживання, від води і грунту до внутрішніх організмів інших організмів, включаючи людину. Зокрема, архебактерії населяють райони з температурами, засоленістю і екстремальним рН.

Структура

Архітектурна схема типового прокаріотів, без сумніву, така Escherichia coli, бактерія, яка нормально живе в нашому шлунково-кишковому тракті.

Форма клітини нагадує тростину і має 1 мкм в діаметрі і 2 мкм в довжину. Прокаріоти оточені клітинною стінкою, що складається в основному з полісахаридів і пептидів.

Бактеріальна клітинна стінка є дуже важливою характеристикою і, за структурою, дозволяє встановити систему класифікації в двох великих групах: грампозитивні і грамнегативні бактерії.

Через клітинну стінку ми знаходимо мембрану (загальний елемент між прокаріотів і еукаріотів) ліпідної природи з серією протезних елементів, вбудованих в неї, що відокремлює організм від його середовища.

ДНК являє собою кругову молекулу, розташовану в певній області, яка не має будь-якого типу мембрани або поділу з цитоплазмою.

Цитоплазма має грубий вигляд і має близько 3000 рибосомних структур, відповідальних за синтез білка.

Види прокаріотів

Поточні прокаріоти складаються з великої кількості бактерій, які поділяються на два основні області: Eubacteria і Archaebacteria. Згідно з даними, ці групи, здається, розійшлися дуже рано в еволюції.

Архебактерії є групою прокаріотів, які, як правило, живуть у середовищах, чиї умови незвичайні, такі як температура або висока солоність. Ці умови сьогодні рідкісні, але вони можуть поширюватися в первісної землі.

Наприклад, термоацидофіли живуть в районах, де температура досягає максимуму 80 ° С і рН 2.

З іншого боку, еубактерії живуть у спільній для нас середовищі. Вони можуть населяти грунт, воду або жити в інших організмах - таких як бактерії, які є частиною нашого травного тракту.

Морфологія прокаріотів

Бактерії входять у ряд дуже різноманітних і гетерогенних морфологій. Серед найбільш поширених є округлі, які називаються кокосами. Вони можуть бути представлені окремо, парами, ланцюгом, тетрадами тощо..

Деякі бактерії морфологічно схожі на очерет і називаються бацилами. Так само, як кокоси можуть бути знайдені в різних домовленостях з більш ніж однією особою. Ми також знаходимо спіралевидні спірохети і ті, які мають кома або форму зерна, звану вібріоном.

Кожна з цих описаних морфологій може варіюватися між різними видами - наприклад, одна бацила може бути більш витягнутою, ніж інша або з більш округлими краями - і корисна при ідентифікації виду.

Відтворення

Безстатеве розмноження

Розмноження в бактеріях є безстатевим і відбувається через бінарне поділ. У цьому процесі організм буквально "розпадається на два", в результаті чого утворюються клони початкового організму. Для цього має бути достатньо ресурсів.

Процес відносно простий: кругова ДНК повторюється, утворюючи дві однакові подвійні спіралі. Згодом генетичний матеріал розміщується в клітинній мембрані, і клітина починає рости, поки вона не подвоює свій розмір. Клітина остаточно розділена і кожна отримана частина має кругову копію ДНК.

У деяких бактеріях клітини можуть розділяти матеріал і рости, але вони взагалі не діляться і утворюють своєрідний ланцюжок.

Додаткові джерела генетичної мінливості

Є події обміну генів між бактеріями, які дозволяють генетичну передачу і рекомбінацію, процес, подібний до того, що ми знаємо як статеве розмноження. Ці механізми є кон'югацією, трансформацією і трансдукцією.

Кон'югація складається з обміну генетичного матеріалу між двома бактеріями за допомогою структури, схожої на дрібні волоски, що називаються pili або fimbrias, яка діє як "міст". У цьому випадку має бути фізична близькість між обома особами.

Трансформація передбачає отримання фрагментів оголеної ДНК, виявлених в середовищі. Тобто в цьому процесі присутність другого організму не є необхідним.

Нарешті, ми маємо переклад, де бактерія набуває генетичний матеріал за допомогою вектора, наприклад, бактеріофагів (віруси, які інфікують бактерії)..

Харчування

Бактеріям потрібні речовини, що гарантують їх виживання і що дають їм необхідну енергію для клітинних процесів. Клітина буде приймати ці поживні речовини шляхом поглинання.

Загалом ми можемо класифікувати поживні речовини як основні або основні (вода, джерела вуглецю, азотні сполуки), вторинні (як деякі іони: калій і магній) і мікроелементи, які необхідні в мінімальних концентраціях (залізо, кобальт).

Деякі бактерії потребують специфічних факторів росту, таких як вітаміни і амінокислоти, і стимулюючі фактори, які, хоча і не є суттєвими, допомагають у процесі росту.

Харчові потреби бактерій широко варіюються, але їхні знання необхідні для того, щоб мати можливість приготувати ефективні культуральні середовища, які забезпечують зростання організму, що цікавить..

Харчові категорії

Бактерії можуть бути класифіковані відповідно до джерела вуглецю, який вони використовують, або органічні, або неорганічні, і в залежності від джерела отриманої енергії.

Відповідно до джерела вуглецю ми маємо дві групи: автотрофи або літотрофи використовують вуглекислий газ і гетеротрофи або органотрофи, які потребують джерела органічного вуглецю..

У випадку джерела енергії ми також маємо дві категорії: фототрофи, які використовують енергію, що надходить від сонця або променевої енергії, і хіміотрофи, які залежать від енергії хімічних реакцій. Таким чином, об'єднуючи обидві категорії, бактерії можна класифікувати на:

Фотоавтотрофи

Енергія отримується від сонячного світла - це означає, що вони є фотосинтетично активними - і їх джерелом вуглецю є вуглекислий газ.

Фотогетеротрофи

Вони здатні використовувати енергію випромінювання для свого розвитку, але не можуть включити діоксид вуглецю. Тому вони використовують інші джерела вуглецю, такі як спирти, жирні кислоти, органічні кислоти і вуглеводи.

Хемоавтотрофи

Енергія виходить від хімічних реакцій і вони здатні включати вуглекислий газ.

Хемогетеротрофи

Вони використовують енергію, що надходить від хімічних реакцій, а вуглець надходить з органічних сполук, таких як глюкоза - найчастіше використовується - ліпіди, а також білки. Зауважимо, що джерело енергії та джерело вуглецю є однаковими в обох випадках, тому диференціація між ними є важкою.

Як правило, мікроорганізми, які вважаються патогенами людини, належать до цієї останньої категорії і використовують в якості джерела вуглецю амінокислоти та ліпідні сполуки їх господарів.

Метаболізм

Метаболізм включає в себе всі складні хімічні реакції, які каталізуються ферментами, що відбуваються всередині організму, так що він може розвиватися і відтворюватися.

У бактерій ці реакції не відрізняються від основних процесів, що відбуваються в більш складних організмах. Насправді, ми маємо кілька шляхів, які поділяють обидві лінії організмів, наприклад, гліколіз.

Реакції метаболізму поділяються на дві основні групи: біосинтез або анаболічні реакції, деградація або катаболічні реакції, що відбуваються для досягнення виробництва хімічної енергії..

Катаболічні реакції поступово вивільняють енергію, яку організм використовує для біосинтезу своїх компонентів.

Фундаментальні відмінності з еукаріотичними клітинами

Прокаріот відрізняється від прокаріотів переважно структурною складністю клітини і процесами, що відбуваються всередині неї. Далі ми опишемо основні відмінності між обома лініями:

Розмір і складність

Як правило, прокариотические клітини є меншими, ніж еукаріот. Перші мають діаметри від 1 до 3 мкм, на відміну від еукаріотичної клітини, яка може досягати 100 мкм. Однак існують деякі винятки.

Хоча прокаріотичні організми є одноклітинні, і ми не можемо їх спостерігати неозброєним оком (якщо ми не спостерігаємо бактеріальні колонії, наприклад), ми не повинні використовувати характеристику для розрізнення обох груп. У еукаріотів ми також знаходимо одноклітинні організми.

Насправді, однією з найбільш складних клітин є одноклітинні еукаріоти, оскільки вони повинні містити всі структури, необхідні для їх розвитку, приурочені до клітинної мембрани. Жанри Paramecium і Трипаносома вони є чудовими прикладами цього.

З іншого боку, існують дуже складні прокаріоти, такі як ціанобактерії (прокариотическая група, де відбувалася еволюція фотосинтетичних реакцій)..

Ядро

Слово "прокаріот" відноситься до відсутності ядра (pro = раніше; karyon = ядро), а еукаріоти мають справжнє ядро ​​(eu = true). Таким чином, ці дві групи розділені наявністю цієї важливої ​​органели.

У прокаріотів генетичний матеріал поширюється в конкретній області клітини, що називається нуклеоїд - і це не є істинним ядром, оскільки не обмежена ліпідною мембраною..

Еукаріоти мають певне ядро ​​і оточені подвійною мембраною. Ця структура надзвичайно складна, що представляє різні області всередині, наприклад, ядро. Крім того, ця органелла може взаємодіяти з внутрішнім середовищем клітини завдяки наявності ядерних пір.

Організація генетичного матеріалу

Прокаріоти містять від 0,6 до 5 мільйонів пар основ у їх ДНК, і, за оцінками, вони можуть кодувати до 5000 різних білків. 

Прокаріотичні гени організовані в суб'єкти, які називаються оперонами - подібно до відомої оперонової лактози, а еукаріотичні гени не.

У генах можна виділити дві "області": інтрони і екзони. Першими є частини, які не кодують білок і які порушують кодуючі області, звані екзонами. Інтрони поширені в еукаріотичних генах, але не в прокаріотах.

Прокаріоти, як правило, гаплоїдні (єдине генетичне навантаження), а еукаріоти мають як гаплоїдні, так і поліплоїдні навантаження. Наприклад, ми - люди диплоїди. Аналогічно, прокаріоти мають більш ніж одну хромосому і еукаріот.

Ущільнення генетичного матеріалу

Всередині клітинного ядра еукаріоти виявляють складну організацію ДНК. Довга нитка ДНК (приблизно два метри) здатна котуватися таким чином, що вона може бути інтегрована в ядро ​​і під час процесів поділу може бути візуалізована під мікроскопом у вигляді хромосом..

Цей процес ущільнення ДНК передбачає серію білків, які здатні зв'язуватися з ниткою і утворювати структури, що нагадують перлове намисто, де нитка представлена ​​ДНК і намистинками з перлів. Ці білки називаються гістонами.

Гістони широко зберігаються протягом еволюції. Тобто, наші гістони неймовірно схожі з мишами, або йдуть далі до комах. Структурно вони мають велику кількість позитивно заряджених амінокислот, які взаємодіють з негативними зарядами ДНК.

У прокаріотів були виявлені певні білки, гомологічні гістонам, які загальновідомі як гістони-подобається. Ці білки сприяють контролю експресії генів, рекомбінації та реплікації ДНК і, як і гистони у еукаріотів, беруть участь у організації нуклеоїдів.

Органели

У еукаріотичних клітинах можна виділити ряд дуже складних субклітинних компартментів, які виконують специфічні функції.

Найбільш актуальними є мітохондрії, відповідальні за процеси клітинного дихання і генерування АТФ, а в рослинах виділяються хлоропласти з їх тримембранної системою і необхідним механізмом для фотосинтезу..

Також ми маємо комплекс Гольджі, гладкий і шорсткий ендоплазматичний ретикулум, вакуолі, лізосоми, пероксисоми, серед інших.

Структура рибосоми

Рибосоми включають механізм, необхідний для синтезу білків, тому вони повинні бути присутніми як у еукаріотів, так і в прокаріотах. Незважаючи на те, що це обома необхідна структура, вона відрізняється переважно розміром.

Рибосоми складаються з двох субодиниць: одного великого і одного малого. Кожна субодиниця ідентифікується за допомогою параметра, що називається коефіцієнтом седиментації.

У прокаріотів велика субодиниця становить 50S, а мала субодиниця - 30S. Повна структура називається 70S. Рибосоми розсіяні в цитоплазмі, де вони виконують свої завдання.

Еукаріоти мають більші рибосоми, велика субодиниця - 60S, маленька - 40S, і вся рибосома позначається значенням 80S. Вони розташовані головним чином закріплені в грубому ендоплазматичному ретикулюмі.

Клітинна стінка

Клітинна стінка є важливим елементом для осмотичного стресу і служить захисним бар'єром від можливого пошкодження. Майже всі прокаріоти і деякі групи еукаріот мають клітинну стінку. Різниця полягає в її хімічній природі.

Стіна бактерій складається з пептидоглікану, полімеру, що складається з двох структурних елементів: N-ацетил-глюкозамін і N-ацетилмурамінова кислота, з'єднані між собою зв'язками β-1,4 типу.

У межах еукаріотичного походження є також клітини зі стінками, переважно в деяких грибах і у всіх рослинах. Найбільш поширеним з'єднанням у стінці грибів є хітин, а в рослинах целюлоза, полімер, утворений багатьма глюкозними одиницями.

Поділ клітин

Як обговорювалося вище, прокаріот діляться на двійкове поділ. Еукаріоти мають складну систему поділу, яка включає різні стадії ядерного поділу, будь то мітоз або мейоз.

Філогенез і класифікація

Ми, як правило, звикли визначати вид у відповідності з біологічною концепцією, запропонованою Е. Майром в 1989 році: "групи хрестоподібних природних популяцій, які репродуктивно виділені від інших груп".

Застосування цієї концепції до безстатевих видів, як у випадку прокаріотів, неможливе. Тому має бути й інший спосіб підійти до поняття виду для класифікації цих організмів.

За словами Росселло-Мора et al. (2011), філофенетична концепція добре вписується в цю лінію: "монофілетичний і геномно когерентний набір індивідуальних організмів, які демонструють високий ступінь загальної подібності в багатьох незалежних характеристиках і діагностується дискримінаційним фенотиповим властивістю".

Раніше всі прокаріоти класифікувалися в один "домен", поки Карл Вузе не припустив, що дерево життя має мати три основні гілки. Дотримуючись цієї класифікації, прокаріоти охоплюють два домени: Archaea і Bacteria.

У межах бактерій ми знаходимо п'ять груп: протеобактерії, хламідії, спірохети ціанобактерії та грампозитивні бактерії. Також ми маємо чотири основні групи архей: Euryarchaeota, Grupo TACK, Asgard і Grupo DPANN.

Нові перспективи

Однією з найпоширеніших концепцій біології є простота прокаріотичного цитозолю. Однак нові свідчення свідчать про те, що існує потенційна організація в прокаріотних клітинах. В даний час вчені намагаються зірвати догму про відсутність органел, цитоскелету та інших характеристик у цьому одноклітинному походженні..

Органели в прокаріотів

Автори цієї нової і суперечливої ​​пропозиції запевняють, що є рівні компартменталізації в еукаріотичних клітинах, головним чином у структурах, відокремлених білками, і внутрішньоклітинними ліпідами..

За словами захисників цієї ідеї, органела - це відділення, оточене біологічною мембраною з визначеною біохімічною функцією. Серед цих "органел", які відповідають цьому визначенню, ми маємо ліпідні тіла, карбоксисоми, газові вакуолі, серед інших.

Магнітосоми

Одним з найбільш захоплюючих відділень бактерій є магнітосоми. Ці структури пов'язані з можливостями певних бактерій Magnetospirillum o Магнітокок - використання магнітних полів для орієнтації.

Структурно вони являють собою невелике тіло 50 нанометрів, оточене ліпідною мембраною, внутрішність якої складається з магнітних мінералів.

Фотосинтетичні мембрани

Крім того, деякі прокаріоти мають "фотосинтетичні мембрани", які є найбільш вивченими компартментами в цих організмах.

Ці системи працюють для максимальної ефективності фотосинтезу, збільшення кількості доступного фотосинтетичного білка і максимізації поверхні мембрани, яка піддається світлу.

Відсіки в Плактоміцети

Не вдалося простежити правдоподібний еволюційний шлях від згаданих вище компартментів до дуже складних органел еукаріот.

Однак жанр Плактоміцети Вона має серію внутрішніх відділень, які нагадують самі органи і можуть бути запропоновані як бактеріальний предок еукаріотів. У жанрі Pirellula є хромосоми і рибосоми, оточені біологічними мембранами.

Компоненти цитоскелету

Аналогічно, існують певні білки, які історично вважалися унікальними для еукаріотів, включаючи ефірні нитки, що входять до складу цитоскелету: тубулін, актин і проміжні нитки.

Недавні дослідження дозволили виявити білки, гомологічні тубуліну (FtsZ, BtuA, BtuB та ін), актину (MreB і Mb1) і проміжним ниткам (CfoA).

Список літератури

  1. Купер Г. М. (2000). Клітина: Молекулярний підхід. Sinauer Associates.
  2. Dorman, C.J., & Deighan, P. (2003). Регулювання експресії генів гістоноподібними білками в бактеріях. Поточна думка в генетиці та розвитку, 13(2), 179-184.
  3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Прихована сторона прокаріотичної клітини: знову відкриває мікробний світ. Міжнародна мікробіологія, 10(3), 157-168.
  4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Клітинна біологія прокаріотичних органел. Перспективи Cold Spring Harbor в біології, a000422.
  5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Концепція виду для прокаріотів. Огляди мікробіології FEMS, 25(1), 39-67.
  6. Slesarev, A.I., Belova, G.I., Kozyavkin, S.A., & Lake, J.A. (1998). Докази раннього прокариотического походження гістонів Н2А і Н4 до появи еукаріотів. Дослідження нуклеїнових кислот, 26(2), 427-430.
  7. Souza, W. D. (2012). Прокаріотичні клітини: структурна організація цитоскелету і органел. Спогади про Інститут Освальдо Крус, 107(3), 283-293.