Vlastnosti prokaryotických buněk, buněčná struktura, typy



prokaryotické buňky jsou to jednoduché struktury a bez jádra ohraničeného plazmatickou membránou. Organismy spojené s tímto typem buněk jsou jednobuněčné, i když mohou být seskupeny a tvoří sekundární struktury, jako jsou řetězce.

Ze tří oblastí života, které navrhl Carl Woese, odpovídají prokaryoty Bacteria a Archaea. Zbývající doména, Eucarya, je složena z eukaryotických buněk, větších, komplexnějších a s ohraničeným jádrem..

Jednou z nejdůležitějších dichotomií v biologických vědách je rozdíl mezi eukaryotickou buňkou a prokaryotickou buňkou. Historicky, prokaryotic organismus je zvažován jednoduchý, bez vnitřní organizace, bez organelles a postrádat cytoskeleton. Nové důkazy však tyto paradigmata ničí.

Například struktury byly identifikovány v prokaryotech, které mohou být potenciálně považovány za organely. Podobně byly nalezeny proteiny homologní s proteiny eukaryot, které tvoří cytoskelet.

Prokaryoty jsou velmi rozmanité ve své výživě. Jako zdroj energie mohou používat světlo ze slunce a energii obsaženou v chemických vazbách. Mohou také použít různé zdroje uhlíku, jako je oxid uhličitý, glukóza, aminokyseliny, proteiny, mezi jinými..

Prokaryotes jsou rozděleny asexuálně binárním štěpením. V tomto procesu organismus replikuje svou kruhovou DNA, zvyšuje její objem a nakonec ji dělí na dvě identické buňky.

Existují však mechanismy výměny genetického materiálu, které generují variabilitu v bakteriích, jako je transdukce, konjugace a transformace.

Index

  • 1 Obecné charakteristiky
  • 2 Struktura
  • 3 Typy prokaryot
  • 4 Morfologie prokaryot
  • 5 Reprodukce
    • 5.1 Asexuální reprodukce
    • 5.2 Další zdroje genetické variability
  • 6 Výživa
    • 6.1 Výživové kategorie
    • 6.2 Fotoautotrofy
    • 6.3 Fotoheterotrofy
    • 6.4 Chemoautotrofy
    • 6.5 Chemoheterotrofy
  • 7 Metabolismus
  • 8 Základní rozdíly s eukaryotickými buňkami
    • 8.1 Velikost a složitost
    • 8.2 Jádro
    • 8.3 Organizace genetického materiálu
    • 8.4 Hutnění genetického materiálu
    • 8.5 Organely
    • 8.6 Struktura ribozomu
    • 8.7 Buněčná stěna
    • 8.8 Buněčné dělení
  • 9 Fylogeneze a klasifikace
  • 10 Nové perspektivy
    • 10.1 Organely v prokaryotech
    • 10.2 Magnetosomy
    • 10.3 Fotosyntetické membrány
    • 10.4 Oddíly v Planctomycetes
    • 10.5 Složky cytoskeletu
  • 11 Odkazy

Obecné vlastnosti

Prokaryoty jsou relativně jednoduché jednobuněčné organismy. Nejvýraznější charakteristikou této skupiny je absence pravého jádra. Jsou rozděleny do dvou velkých větví: pravé bakterie nebo eubakterie a archaebakterie.

Oni kolonizovali téměř každé myslitelné stanoviště, od vody a půdy k vnitřku jiných organismů, včetně lidské bytosti. Konkrétně archaebakterie obývají oblasti s teplotami, slaností a extrémním pH.

Struktura

Architektonické schéma typického prokaryota je bezpochyby Escherichia coli, bakterie, která normálně žije v našem gastrointestinálním traktu.

Tvar buňky připomíná třtinu a má průměr 1 um a délku 2 um. Prokaryoty jsou obklopeny buněčnou stěnou, složenou převážně z polysacharidů a peptidů.

Bakteriální buněčná stěna je velmi důležitou charakteristikou a podle struktury umožňuje vytvořit klasifikační systém ve dvou velkých skupinách: gram pozitivní a gram negativní bakterie.

Následuje buněčná stěna, nacházíme membránu (společný prvek mezi prokaryoty a eukaryoty) lipidové povahy s řadou protetických prvků v ní obsažených, která odděluje organismus od jeho prostředí.

DNA je kruhová molekula lokalizovaná ve specifické oblasti, která nemá žádný typ membrány nebo separaci s cytoplazmou.

Cytoplazma vykazuje drsný vzhled a má přibližně 3000 ribozomů - struktur zodpovědných za syntézu proteinů.

Typy prokaryot

Současné prokaryoty jsou tvořeny širokou škálou bakterií, která je rozdělena do dvou hlavních oblastí: Eubacteria a Archaebacteria. Podle důkazů se zdá, že tyto skupiny se v evoluci rozcházely velmi brzy.

Archaebacteria je skupina prokaryotes to, obecně, žít v prostředích jehož podmínky jsou neobvyklé, takový jako teploty nebo vysoká slanost. Tyto podmínky jsou v dnešní době vzácné, ale mohly by být převládající v primitivní zemi.

Například termoacidofily žijí v oblastech, kde teplota dosahuje maximálně 80 ° C a pH 2.

Na druhé straně Eubacteria žijí ve společném prostředí pro nás lidi. Mohou obývat půdu, vodu nebo žít v jiných organismech - jako jsou bakterie, které jsou součástí našeho trávicího traktu.

Morfologie prokaryot

Bakterie přicházejí v řadě velmi různorodých a heterogenních morfologií. Mezi nejběžnější patří ty zaoblené, které se nazývají kokosy. Ty mohou být prezentovány individuálně, ve dvojicích, v řetězci, v tetradech atd..

Některé bakterie jsou morfologicky podobné hůlce a nazývají se bacily. Stejně jako kokosové ořechy lze nalézt v různých uspořádáních s více než jedním jednotlivcem. Také nacházíme spirálové spirály ve tvaru spirály a ty, které mají tvar komatu nebo zrna zvané vibrios.

Každá z těchto popsaných morfologií se může lišit mezi různými druhy - například jeden bacil může být prodlouženější než jiný nebo s více zaoblenými hranami - a je užitečný při identifikaci druhu.

Reprodukce

Asexuální reprodukce

Reprodukce v bakteriích je asexuální a probíhá prostřednictvím binárního štěpení. V tomto procesu se organismus doslova „rozpadne na dva“, což vede k klonům původního organismu. Aby k tomu došlo, musí být k dispozici dostatečné zdroje.

Tento proces je relativně jednoduchý: kruhová DNA se replikuje a tvoří dvě identické dvojité šroubovice. Následně je genetický materiál uložen v buněčné membráně a buňka začne růst, až zdvojnásobí svou velikost. Buňka je konečně rozdělena a každá výsledná část má kruhovou kopii DNA.

V některých bakteriích mohou buňky dělit materiál a růst, ale vůbec se nerozdělují a tvoří určitý druh řetězce.

Další zdroje genetické variability

Existují události genové výměny mezi bakteriemi, které umožňují genetický přenos a rekombinaci, což je proces podobný tomu, co známe jako sexuální reprodukce. Tyto mechanismy jsou konjugace, transformace a transdukce.

Konjugace spočívá ve výměně genetického materiálu mezi dvěma bakteriemi pomocí struktury podobné jemným vlasům zvaným pili nebo fimbrie, které působí jako "můstek". V tomto případě musí existovat fyzická blízkost mezi oběma jedinci.

Transformace zahrnuje odebrání fragmentů nahé DNA nalezené v prostředí. To znamená, že v tomto procesu není nutná přítomnost druhého organismu.

Konečně máme translaci, kde bakterie získává genetický materiál pomocí vektoru, například bakteriofágů (virů, které infikují bakterie)..

Výživa

Bakterie potřebují látky, které zaručují jejich přežití a které jim dodávají potřebnou energii pro buněčné procesy. Buňka bude tyto živiny přijímat absorpcí.

Obecně můžeme klasifikovat živiny jako esenciální nebo bazické (voda, zdroje uhlíku a sloučeniny dusíku), sekundární (jako některé ionty: draslík a hořčík) a stopové prvky, které jsou potřebné v minimálních koncentracích (železo, kobalt).

Některé bakterie potřebují specifické růstové faktory, jako jsou vitamíny a aminokyseliny a stimulující faktory, které, i když ne nezbytné, pomáhají v procesu růstu.

Nutriční požadavky bakterií se značně liší, ale jejich znalosti jsou nezbytné k tomu, aby bylo možné připravit účinná kultivační média, která zajistí růst zájmového organismu..

Nutriční kategorie

Bakterie mohou být klasifikovány podle zdroje uhlíku, který používají, buď organického nebo anorganického, a v závislosti na zdroji získané energie.

Podle zdroje uhlíku máme dvě skupiny: autotrofy nebo litotrofy používají oxid uhličitý a heterotrofy nebo organotrofy, které vyžadují zdroj organického uhlíku.

V případě zdroje energie máme také dvě kategorie: fototrofy, které využívají energii přicházející ze slunce nebo zářící energie a chemiotrofy, které závisí na energii chemických reakcí. Spojením obou kategorií lze bakterie rozdělit do:

Fotoautotrofy

Energie se získává ze slunečního světla - což znamená, že jsou fotosynteticky aktivní - a jejich zdrojem uhlíku je oxid uhličitý.

Fotoheterotrofy

Jsou schopny použít pro svůj vývoj sálavou energii, ale nejsou schopny začlenit oxid uhličitý. Proto používají jiné zdroje uhlíku, jako jsou alkoholy, mastné kyseliny, organické kyseliny a sacharidy.

Chemoautotrofy

Energie se získává z chemických reakcí a je schopna začlenit oxid uhličitý.

Chemoheterotrofy

Využívají energii z chemických reakcí a uhlík pochází z organických sloučenin, jako je glukóza, která je nejpoužívanější - lipidy a také proteiny. Všimněte si, že zdroj energie a zdroj uhlíku jsou v obou případech stejné, takže rozlišení mezi nimi je obtížné.

Obecně, mikroorganismy, které jsou považovány za patogeny lidské bytosti, patří do této poslední kategorie a používají jako zdroj uhlíku aminokyseliny a lipidové sloučeniny svých hostitelů..

Metabolismus

Metabolismus zahrnuje všechny komplexní chemické reakce katalyzované enzymy, které se vyskytují uvnitř organismu, takže se mohou vyvíjet a reprodukovat.

U bakterií se tyto reakce neliší od základních procesů, které se vyskytují ve složitějších organismech. Ve skutečnosti máme více cest, které jsou sdíleny oběma liniemi organismů, jako je například glykolýza.

Reakce metabolismu jsou rozděleny do dvou hlavních skupin: biosyntéza nebo anabolické reakce a degradace nebo katabolické reakce, ke kterým dochází při výrobě chemické energie..

Katabolické reakce uvolňují energii, kterou organismus využívá pro biosyntézu svých složek, v odstupňovaném způsobu.

Základní rozdíly s eukaryotickými buňkami

Prokaryotes se liší od prokaryotes hlavně v strukturní složitosti buňky a v procesech, které se vyskytují uvnitř toho. Dále popíšeme hlavní rozdíly mezi oběma liniemi:

Velikost a složitost

Obecně jsou prokaryotické buňky menší než eukaryoty. První z nich má průměr mezi 1 a 3 μm, na rozdíl od eukaryotické buňky, která může dosáhnout 100 μm. Existují však určité výjimky.

I když jsou prokaryotické organismy jednobuněčné a my je nemůžeme pozorovat pouhým okem (pokud například nepozorujeme bakteriální kolonie), neměli bychom rozlišovat mezi oběma skupinami. U eukaryot najdeme také jednobuněčné organismy.

Ve skutečnosti je jednou z nejsložitějších buněk jednobuněčné eukaryoty, protože musí obsahovat všechny struktury nezbytné pro jejich vývoj omezené na buněčnou membránu. Žánry Paramecium a Trypanosoma jsou to pozoruhodné příklady.

Na druhé straně jsou zde vysoce komplexní prokaryoty, jako jsou cyanobakterie (prokaryotická skupina, kde probíhal vývoj fotosyntetických reakcí).

Jádro

Slovo “prokaryote” se odkazuje na nepřítomnost jádra (\ tpro = dříve; karyon = jádro), zatímco eukaryoty mají pravé jádro (eu = true). Tyto dvě skupiny jsou tedy odděleny přítomností této důležité organely.

V prokaryotech je genetický materiál distribuován ve specifické oblasti buňky zvané nukleoid - a není to pravé jádro, protože není vázán lipidovou membránou..

Eukaryoty mají definované jádro a jsou obklopeny dvojitou membránou. Tato struktura je extrémně složitá a představuje různé oblasti uvnitř, například nukleolus. Kromě toho tato organela může interagovat s vnitřním prostředím buňky díky přítomnosti jaderných pórů.

Organizace genetického materiálu

Prokaryoty obsahují ve své DNA 0,6 až 5 milionů párů bází a odhaduje se, že mohou kódovat až 5000 různých proteinů.. 

Prokaryotické geny jsou organizovány do entit nazývaných operony - jako známá operonová laktóza - zatímco eukaryotické geny ne.

V genech můžeme rozlišovat dvě "oblasti": introny a exony. První z nich jsou části, které nemají kód pro protein a které narušují kódující oblasti, nazývané exony. Introny jsou běžné u eukaryotických genů, ale ne u prokaryot.

Prokaryoty jsou obecně haploidní (jediné genetické zatížení) a eukaryoty mají haploidní i polyploidní zátěž. Například my lidé jsme diploidy. Podobně, prokaryotes mají chromozóm a eukaryotes více než jeden.

Hutnění genetického materiálu

V buněčném jádru eukaryoty vykazují komplexní organizaci DNA. Dlouhý řetězec DNA (přibližně dva metry) je schopen se navíjet tak, že může být integrován do jádra a během dělení může být vizualizován pod mikroskopem ve formě chromozomů.

Tento proces komprese DNA zahrnuje řadu proteinů, které jsou schopny vázat se na vlákno a tvořit struktury, které se podobají perlovému náhrdelníku, kde je vlákno reprezentováno DNA a perličkami. Tyto proteiny se nazývají histony.

Histony byly v průběhu evoluce široce konzervovány. To znamená, že naše histony jsou neuvěřitelně podobné myším, nebo jdou dále k hmyzu. Strukturně mají vysoký počet kladně nabitých aminokyselin, které interagují s negativními náboji DNA.

V prokaryotech byly nalezeny určité proteiny homologní s histony, které jsou obecně známy jako histony-jako. Tyto proteiny přispívají k regulaci genové exprese, rekombinace a replikace DNA a podobně jako histony v eukaryotech se účastní organizace nukleoidů.

Organelles

V eukaryotických buňkách lze identifikovat řadu velmi složitých subcelulárních kompartmentů, které plní specifické funkce.

Nejvýznamnější jsou mitochondrie, které jsou zodpovědné za procesy buněčného dýchání a generování ATP, a v rostlinách vyniknou chloroplasty se svým tří-membránovým systémem as nezbytným mechanismem pro fotosyntézu..

Také máme Golgiho komplex, hladké a hrubé endoplazmatické retikulum, vakuoly, lysozomy, peroxizomy, mimo jiné..

Struktura ribozomu

Ribozomy zahrnují aparát nezbytný pro syntézu proteinů, takže musí být přítomny jak v eukaryotech, tak v prokaryotech. Ačkoliv se jedná o nepostradatelnou strukturu pro obě, liší se především velikostí.

Ribozomy se skládají ze dvou podjednotek: jedné velké a jedné malé. Každá podjednotka je identifikována parametrem zvaným sedimentační koeficient.

V prokaryotech je velká podjednotka 50S a malá podjednotka je 30S. Kompletní struktura se nazývá 70S. Ribozomy jsou rozptýleny v cytoplazmě, kde plní své úkoly.

Eukaryoty mají větší ribozomy, velká podjednotka je 60S, malá je 40S a celý ribozom je označen hodnotou 80S. Ty jsou umístěny převážně v hrubém endoplazmatickém retikulu.

Buněčná stěna

Buněčná stěna je základním prvkem pro zvládání osmotického napětí a slouží jako ochranná bariéra proti možnému poškození. Téměř všechny prokaryoty a některé skupiny eukaryot mají buněčnou stěnu. Rozdíl spočívá v jeho chemické povaze.

Bakteriální stěna se skládá z peptidoglykanu, polymeru složeného ze dvou strukturních prvků: N-acetylglukosaminu a kyseliny N-acetylmuramové, které jsou spojeny vazbami typu p-1,4..

V eukaryotické linii jsou také buňky se stěnami, hlavně v některých houbách a ve všech rostlinách. Nejrozšířenější sloučeninou ve stěně houby je chitin a v rostlinách je to celulóza, polymer tvořený mnoha glukózovými jednotkami..

Buněčné dělení

Jak bylo uvedeno výše, prokaryoty jsou rozděleny binárním štěpením. Eukaryoty mají komplexní dělicí systém, který zahrnuje různé fáze jaderného dělení, ať už je to mitóza nebo meióza.

Fylogeneze a klasifikace

Obecně jsme zvyklí na definování druhu v souladu s biologickým konceptem, který navrhl E. Mayr v roce 1989: "skupiny přirozeně se vyskytujících kříženců, které jsou reprodukčně izolovány z jiných skupin".

Použití tohoto konceptu na asexuální druhy, jako je tomu v případě prokaryot, je nemožné. Proto musí existovat jiný způsob, jak přistupovat k pojmu druhů, aby bylo možné tyto organismy klasifikovat.

Podle Rosselló-Mory et al. (2011), fylofenetický koncept dobře zapadá do této linie: „monofyletický a genomicky koherentní soubor jednotlivých organismů, které vykazují vysoký stupeň obecné podobnosti v mnoha nezávislých charakteristikách a je diagnostikovatelný diskriminační fenotypovou vlastností“..

Dříve, všechny prokaryotes byly klasifikované do jediné “domény”, dokud Carl Woese navrhl, že strom života by měl mít tři hlavní větve. Po této klasifikaci zahrnují prokaryoty dvě domény: Archaea a Bacteria.

V bakteriích najdeme pět skupin: proteobakterie, chlamydie, spirochetes cyanobacteria a grampozitivní bakterie. Stejně tak máme čtyři hlavní skupiny archaea: Euryarchaeota, Grupo TACK, Asgard a Grupo DPANN.

Nové perspektivy

Jedním z nejrozšířenějších konceptů v biologii je jednoduchost prokaryotického cytosolu. Nicméně nové důkazy naznačují, že existuje potenciální organizace v prokaryotických buňkách. V současné době se vědci snaží strhnout dogma o nepřítomnosti organel, cytoskeletu a dalších charakteristik této jednobuněčné linie..

Organely v prokaryotech

Autoři tohoto nového a kontroverzního návrhu zajišťují, že v eukaryotických buňkách existují úrovně kompartmentalizace, zejména ve strukturách ohraničených proteiny a intracelulárními lipidy..

Podle obránců této myšlenky je organela prostor obklopený biologickou membránou s určenou biochemickou funkcí. Mezi tyto "organely", které odpovídají této definici, máme mimo jiné lipidová těla, karboxysomy, plynové vakuoly..

Magnetosomy

Jedním z nejvíce fascinujících kompartmentů bakterií jsou magnetosomy. Tyto struktury souvisejí s kapacitou některých bakterií Magnetospirillum o Magnetokoky - použití magnetických polí pro orientaci.

Strukturálně se jedná o malé těleso o velikosti 50 nanometrů, obklopené lipidovou membránou, jejíž vnitřek se skládá z magnetických minerálů.

Fotosyntetické membrány

Navíc, někteří prokaryotes mají “photosynthetic membrány”, který být nejvíce studoval kompartmenty v těchto organismech.

Tyto systémy maximalizují účinnost fotosyntézy, zvyšují počet dostupných fotosyntetických proteinů a maximalizují povrch membrány, který je vystaven světlu..

Prostory v Planctomycetes

Nebylo možné vysledovat věrohodnou evoluční cestu z výše uvedených kompartmentů k vysoce komplexním organelám eukaryot.

Žánr Planctomycetes To má sérii oddělení uvnitř to připomíná organelles sám a moci být navrhován jako bakteriální předchůdce eukaryotes. V žánru Pirellula Existují chromozomy a ribozomy obklopené biologickými membránami.

Složky cytoskeletu

Podobně existují určité proteiny, které byly historicky považovány za jedinečné pro eukaryoty, včetně esenciálních vláken, které jsou součástí cytoskeletu: tubulin, aktin a intermediální filamenty.

Nedávným výzkumům se podařilo identifikovat proteiny homologní s tubulinem (FtsZ, BtuA, BtuB a další), s aktinem (MreB a Mb1) a s intermediárními filamenty (CfoA)..

Odkazy

  1. Cooper, G. M. (2000). Buňka: Molekulární přístup. Sinauer Associates.
  2. Dorman, C. J., & Deighan, P. (2003). Regulace genové exprese proteinů podobných histonům v bakteriích. Současný názor na genetiku a vývoj, 13(2), 179-184.
  3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Skrytá strana prokaryotické buňky: znovuobjevení mikrobiálního světa. Mezinárodní mikrobiologie, 10(3), 157-168.
  4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Buněčná biologie prokaryotických organel. Cold Spring Harbor perspektivy v biologii, a000422.
  5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Druhová koncepce pro prokaryoty. Recenze mikrobiologie FEMS, 25(1), 39-67.
  6. Slesarev, A.I., Belova, G.I., Kozyavkin, S.A., & Lake, J.A. (1998). Důkazy o časném prokaryotickém původu histonů H2A a H4 před vznikem eukaryot. Výzkum nukleových kyselin, 26(2), 427-430.
  7. Souza, W. D. (2012). Prokaryotické buňky: strukturní uspořádání cytoskeletu a organel. Vzpomínky na institut Oswalda Cruza, 107(3), 283-293.