ПРОКАРИОТНА КЛЕТКА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛЕТЪЧНА СТРУКТУРА, ВИДОВЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

В прокариотни клетки са прости и без ядро, обградени с плазмени мембранни структури. Организмите, свързани с този клетъчен тип, са едноклетъчни, въпреки че могат да се групират и образуват вторични структури, като вериги.

От трите области на живота, предложени от Карл Уийз, прокариотите съответстват на Бактериите и Археите. Оставащият домен, Eucarya, е съставен от по-големи, по-сложни еукариотни клетки с ограничено ядро.

Прокариотна клетка. Източник: От Али Зифан, от Wikimedia Commons

Една от най-важните дихотомии в биологичните науки е разграничението между еукариотичната и прокариотичната клетка. В исторически план прокариотичният организъм се счита за прост, без вътрешна организация, без органели и липсва цитоскелет. Новите доказателства обаче унищожават тези парадигми.

Например структурите са идентифицирани в прокариоти, които потенциално могат да се считат за органели. По същия начин са открити протеини, хомоложни на протеините на еукариоти, които образуват цитоскелета.

Прокариотите са много разнообразни по отношение на тяхното хранене. Те могат да използват светлината от слънцето и енергията, съдържаща се в химичните връзки, като енергиен източник. Те могат също така да използват различни източници на въглерод, като въглероден диоксид, глюкоза, аминокиселини, протеини и други.

Прокариотите се разделят асексуално чрез бинарно делене. В този процес организмът възпроизвежда своята кръгова ДНК, увеличава обема си и накрая се разделя на две еднакви клетки.

Съществуват обаче механизми за обмен на генетичен материал, които генерират променливост в бактериите, като трансдукция, конюгация и трансформация.

Основни характеристики

Прокариотите са сравнително прости едноклетъчни организми. Най-поразителната характеристика, която идентифицира тази група, е липсата на истинско ядро. Те са разделени на два големи клона: истински бактерии или евбактерии и архебактерии.

Те са колонизирали почти всяко възможно местообитание, от водата и почвата до вътрешността на други организми, включително хора. По-специално архебактериите обитават области с екстремни температури, соленост и pH.

структура

Средна прокариотна клетка.

Архитектурната схема на типичен прокариот е без съмнение тази на Ешерихия коли, бактерия, която обитава нормално стомашно-чревния ни тракт.

Клетъчната форма напомня на пръчка и е с диаметър 1 um и дължина 2 um. Прокариотите са заобиколени от клетъчна стена, съставена главно от полизахариди и пептиди.

Бактериалната клетъчна стена е много важна характеристика и в зависимост от нейната структура позволява да се установи система за класификация в две големи групи: грам положителни и грам отрицателни бактерии.

Следван от клетъчната стена, ние намираме мембрана (общ елемент между прокариоти и еукариоти) с липиден характер с вградена в нея поредица от протезни елементи, която отделя организма от неговата среда.

ДНК е кръгова молекула, разположена в специфичен регион, който няма никакъв тип мембрана или разделяне с цитоплазмата.

Цитоплазмата има груб вид и има приблизително 3000 рибозоми - структури, отговорни за синтеза на протеини.

Видове прокариоти

Настоящите прокариоти са съставени от голямо разнообразие от бактерии, което е разделено на два големи домена: евбактерии и архебактерии. Според доказателствата изглежда, че тези групи са се разминали много рано в еволюцията.

Архебактериите са група прокариоти, които обикновено живеят в среда с необичайни условия, като температура или висока соленост. Тези условия са рядкост днес, но може би са били разпространени в ранната земя.

Например, термоацидофилите живеят в райони, където температурата достига максимум 80 ° C и рН 2.

Евбактериите от своя страна живеят в среда, обичайна за нас хората. Те могат да обитават почва, вода или да живеят в други организми - като бактерии, които са част от храносмилателния ни тракт.

Морфология на прокариотите

Бактериите се предлагат в серия от много разнообразни и разнородни морфологии. Сред най-често срещаните имаме закръглените, наречени кокосови орехи. Те могат да се появят поотделно, по двойки, във верига, в тетради и т.н.

Някои бактерии са морфологично подобни на прът и се наричат ​​бацили. Подобно на кокосовите орехи, те могат да бъдат намерени в различни аранжименти с повече от един индивид. Откриваме също спираловидни форми във формата на спирала и такива със запетая или зърно, наречени вибриони.

Всяка от тези описани морфологии може да варира между различните видове - например един бацил може да бъде по-удължен от друг или с по-заоблени ръбове - и е полезен при идентифицирането на вида.

репродукция

Безполово размножаване

Размножаването в бактериите е асексуално и се осъществява чрез бинарно делене. В този процес организмът буквално се „разделя на две“, което води до клонове на първоначалния организъм. Трябва да има достатъчно ресурси, за да се случи това.

Процесът е сравнително прост: кръгли ДНК реплики, образуващи две еднакви двойни спирали. По-късно генетичният материал се настанява в клетъчната мембрана и клетката започва да расте, докато се удвои по размер. В крайна сметка клетката се дели и всяка получена част има кръгово ДНК копие.

При някои бактерии клетките могат да разделят материала и да растат, но те не се разделят напълно и образуват вид верига.

Допълнителни източници на генетична променливост

Между бактериите има събития за обмен на ген, които позволяват генетичен трансфер и рекомбинация, процес, подобен на този, който знаем като сексуална репродукция. Тези механизми са конюгиране, трансформация и преобразуване.

Конюгацията се състои в обмен на генетичен материал между две бактерии чрез структура, подобна на фините косми, наречени пили или фимбрии, която действа като „мост“. В този случай трябва да има физическа близост между двете лица.

Трансформацията включва вземане на голи ДНК фрагменти, открити в околната среда. Тоест, в този процес присъствието на втори организъм не е необходимо.

Накрая имаме превод, където бактерията придобива генетичен материал чрез вектор, например бактериофаги (вируси, които заразяват бактериите).

хранене

Бактериите се нуждаят от вещества, които гарантират оцеляването им и които им дават енергия, необходима за клетъчните процеси. Клетката ще поеме тези хранителни вещества чрез абсорбция.

Най-общо можем да класифицираме хранителните вещества като основни или основни (вода, въглеродни източници и азотни съединения), вторични (като някои йони: калий и магнезий) и микроелементи, които са необходими в минимални концентрации (желязо, кобалт).

Някои бактерии се нуждаят от специфични растежни фактори, като витамини и аминокиселини и стимулиращи фактори, които макар и да не са от съществено значение, помагат в процеса на растеж.

Хранителните нужди на бактериите варират в широки граници, но техните познания са необходими, за да може да се подготвят ефективни културни среди, които да гарантират растежа на организъм, който представлява интерес.

Хранителни категории

Бактериите могат да бъдат класифицирани според източника на въглерод, който използват, органичен или неорганичен и в зависимост от източника на производство на енергия.

Според източника на въглерод имаме две групи: автотрофите или литотрофите използват въглероден диоксид, а хетеротрофите или органотрофите, които изискват органичен въглероден източник.

В случая на енергийния източник имаме и две категории: фототрофи, които използват енергия от слънцето или лъчиста енергия и хемотрофи, които зависят от енергията на химичните реакции. По този начин, комбинирайки двете категории, бактериите могат да бъдат класифицирани в:

Photoautotrophs

Те получават енергия от слънчевата светлина - което означава, че са фотосинтетично активни - и техният източник на въглерод е въглеродният диоксид.

Photoheterotrophs

Те са способни да използват лъчева енергия за своето развитие, но не са в състояние да включват въглероден диоксид. Затова те използват други източници на въглерод, като алкохоли, мастни киселини, органични киселини и въглехидрати.

Chemoautotrophs

Те получават енергия от химични реакции и са способни да включват въглероден диоксид.

Chemoheterotrophs

Те използват енергия от химични реакции, а въглеродът идва от органични съединения, като глюкоза - която е най-използваната - липиди, а също и протеини. Обърнете внимание, че енергийният и въглеродният източник са еднакви и в двата случая, поради което разграничаването между двете е трудно.

Обикновено микроорганизмите, които се считат за човешки патогени, принадлежат към тази последна категория и използват аминокиселини и липидни съединения от техните домакини като източник на въглерод.

метаболизъм

Метаболизмът включва всички сложни, ензимно катализирани химични реакции, протичащи в организма, така че той да може да се развива и възпроизвежда.

При бактериите тези реакции не се различават от основните процеси, протичащи в по-сложни организми. Всъщност имаме множество пътища, които се споделят от двете линии на организмите, като например гликолизата.

Метаболитните реакции се класифицират в две големи групи: биосинтез или анаболни реакции и разграждане или катаболни реакции, които се получават за получаване на химическа енергия.

Катаболните реакции освобождават енергия по поетапен начин, който тялото използва за биосинтеза на своите компоненти.

Фундаментални разлики от еукариотните клетки

Прокариотите се различават от прокариотите предимно по структурната сложност на клетката и процесите, които протичат в нея. По-долу ще опишем основните разлики между двете линии:

Размер и сложност

По принцип прокариотните клетки са по-малки от еукариотните клетки. Първите имат диаметър между 1 и 3 цт, за разлика от еукариотната клетка, която може да достигне 100 цт. Има обаче някои изключения.

Въпреки че прокариотните организми са едноклетъчни и не можем да ги наблюдаваме с просто око (освен ако не наблюдаваме бактериални колонии, например), не трябва да използваме характеристика за разграничаване между двете групи. В еукариотите откриваме и едноклетъчни организми.

Всъщност една от най-сложните клетки са едноклетъчни еукариоти, тъй като те трябва да съдържат всички структури, необходими за развитието им, затворени в клетъчната мембрана. Родовете Paramecium и Trypanosoma са забележителни примери за това.

От друга страна, има високо сложни прокариоти, като цианобактерии (прокариотична група, в която е протекла еволюцията на фотосинтетичните реакции).

сърцевина

Думата "прокариот" се отнася до липсата на ядро ​​(про = преди; карион = ядро), докато еукариотите имат истинско ядро ​​(eu = вярно). По този начин, тези две групи са разделени от присъствието на тази важна органела.

При прокариотите генетичният материал се намира разпределен в специфичен регион на клетката, наречен нуклеоид - и не е истинско ядро, тъй като не е ограничен от липидна мембрана.

Еукариотите имат определено ядро ​​и са заобиколени от двойна мембрана. Тази структура е изключително сложна, представя различни области вътре, като нуклеола. В допълнение, тази органела може да взаимодейства с вътрешната среда на клетката благодарение на наличието на ядрени пори.

Организация на генетичен материал

Прокариотите съдържат от 0,6 до 5 милиона базови двойки в своята ДНК и се смята, че те могат да кодират до 5000 различни протеини.

Прокариотичните гени се организират в образувания, наречени оперони - като добре познатия лактозен оперон - докато еукариотичните гени не го правят.

В гените можем да различим два "региона": интрони и екзони. Първите са части, които не кодират протеина и прекъсват кодиращите региони, наречени екзони. Интроните са често срещани в еукариотните гени, но не и в прокариотите.

Прокариотите обикновено са хаплоидни (единично генетично натоварване), а еукариотите имат както хаплоидни, така и полиплоидни натоварвания. Например, ние хората сме диплоидни. По подобен начин прокариотите имат една хромозома, а еукариотите повече от една.

Уплътняване на генетичен материал

В рамките на клетъчното ядро ​​еукариотите проявяват сложна ДНК организация. Дълга верига на ДНК (с дължина приблизително два метра) е способна да се усуква по такъв начин, че да може да бъде интегрирана в ядрото и по време на процесите на делене може да се визуализира под микроскоп под формата на хромозоми.

Този процес на уплътняване на ДНК включва поредица от протеини, които са в състояние да се свържат с нишката и да образуват структури, наподобяващи огърлица от перли, където нишката е представена от ДНК, а мънистата - от перли. Тези протеини се наричат ​​хистони.

Хистоните са широко запазени през цялата еволюция. С други думи, нашите хистони са невероятно подобни на тези на мишка, или да отидем по-далеч от този на насекомо. В структурно отношение те имат голям брой положително заредени аминокиселини, които взаимодействат с отрицателните заряди на ДНК.

В прокариотите са открити някои протеини, хомологични на хистоните, които обикновено са известни като хистонови. Тези протеини допринасят за контрола на генната експресия, рекомбинацията на ДНК и репликацията и, подобно на хистоните в еукариотите, участват в организацията на нуклеоида.

органели

В еукариотните клетки могат да бъдат идентифицирани серия от силно сложни субклетъчни отделения, които изпълняват специфични функции.

Най-релевантните са митохондриите, отговорни за процесите на клетъчното дишане и генерирането на АТФ, а в растенията се открояват хлоропластите с тяхната тримембранна система и с необходимите за фотосинтезата машини.

По същия начин ние имаме комплекс Голджи, гладък и грапав ендоплазмен ретикулум, вакуоли, лизозоми, пероксизоми, между другото.

Рибозомна структура

Рибозомите

Рибозомите съдържат машината, необходима за синтеза на протеини, така че те трябва да присъстват както в еукариотите, така и в прокариотите. Въпреки че е незаменима структура и за двете, тя се различава предимно по размер.

Рибозомите са съставени от две субединици: голяма и малка. Всяка субединица се идентифицира чрез параметър, наречен коефициент на утаяване.

При прокариотите голямата субединица е 50S, а малката субединица е 30S. Цялата структура се нарича 70S. Рибозомите са разпръснати из цялата цитоплазма, където изпълняват задачите си.

Еукариотите имат по-големи рибозоми, голямата субединица е 60S, малката субединица е 40S, а цялата рибозома е означена като 80S. Те са разположени главно закотвени в грубия ендоплазмен ретикулум.

Клетъчна стена

Клетъчната стена е основен елемент за справяне с осмотичния стрес и служи като защитна бариера срещу евентуални повреди. Почти всички прокариоти и някои групи еукариоти имат клетъчна стена. Разликата се състои в химическата природа на него.

Бактериалната стена е изградена от пептидогликан, полимер, съставен от два структурни елемента: N-ацетил-глюкозамин и N-ацетилмураминова киселина, свързани заедно с β-1,4 тип връзки.

В рамките на еукариотната линия има и стенови клетки, главно в някои гъбички и във всички растения. Най-разпространеното съединение в стената на гъбите е хитин, а в растенията е целулоза, полимер, съставен от много глюкозни единици.

Клетъчно деление

Както беше обсъдено по-рано, прокариотите се разделят чрез бинарно делене. Еукариотите имат сложна система на разделение, която включва различни етапи на ядрено деление, или митоза, или мейоза.

Филогения и класификация

Обикновено сме свикнали да определяме вид според биологичната концепция, предложена от Е. Мейр през 1989 г.: „групи от кръстосани естествени популации, които са репродуктивно изолирани от други групи“.

Прилагането на това понятие върху асексуални видове, както е при прокариотите, е невъзможно. Следователно трябва да има друг начин да се подходи към концепцията за видовете, за да се класифицират тези организми.

Според Rosselló-Mora и др. (2011), филофенетичната концепция се вписва добре в тази линия: „монофилетичен и геномно кохерентен набор от отделни организми, които показват висока степен на общо сходство в много независими характеристики и се диагностицира чрез дискриминиращо фенотипно свойство“.

Преди това всички прокариоти бяха класифицирани в един „домейн“, докато Карл Уийз не предположи, че дървото на живота трябва да има три основни клона. След тази класификация прокариотите включват два домена: Archaea и Bacteria.

В рамките на бактериите откриваме пет групи: протеобактерии, хламидии, цианобактериални спирохети и грам положителни бактерии. По подобен начин имаме четири основни групи археи: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard и DPANN Group.

Нови прозрения

Едно от най-разпространените понятия в биологията е простотата на прокариотичния цитозол. Новите доказателства обаче сочат, че има потенциална организация в прокариотните клетки. В момента учените се опитват да разрушат догмата за отсъствието на органели, цитоскелет и други характеристики в тази едноклетъчна линия.

Органели в прокариоти

Авторите на това много ново и противоречиво предложение уверяват, че в еукариотните клетки има нива на отделяне, главно в структури, ограничени от протеини и вътреклетъчни липиди.

Според защитниците на тази идея, органела е отделение, заобиколено от биологична мембрана със специфична биохимична функция. Сред тези „органели“, които отговарят на това определение, наред с други имаме липидни тела, карбокси-соми, газови вакуоли.

Magnetosomes

Едно от най-завладяващите отделения на бактериите са магнитозомите. Тези структури са свързани със способността на определени бактерии - като Magnetospirillum или Magnetococcus - да използват магнитни полета за ориентация.

В структурно отношение те представляват малко 50-нанометрово тяло, заобиколено от липидна мембрана, вътрешността на която е съставена от магнитни минерали.

Фотосинтетични мембрани

Освен това някои прокариоти имат "фотосинтетични мембрани", които са най-проучените отделения в тези организми.

Тези системи работят за увеличаване на ефективността на фотосинтезата, увеличавайки броя на наличните фотосинтетични протеини и увеличавайки максимално мембранозната повърхност, изложена на светлина.

Купета в

Не беше възможно да се проследи правдоподобен еволюционен път от тези споменати по-горе отделения до силно сложните органели на еукариотите.

Родът Planctomycetes обаче има серия от отделения вътре, които напомнят на самите органели и могат да бъдат предложени като бактериален прародител на еукариотите. В рода Pirellula има хромозоми и рибозоми, заобиколени от биологични мембрани.

Компоненти на цитоскелета

По подобен начин има определени протеини, които исторически се считали за уникални за еукариотите, включително основните филаменти, които са част от цитоскелета: тубулин, актин и междинни нишки.

Последните изследвания успяха да идентифицират протеини, хомологични на тубулин (FtsZ, BtuA, BtuB и други), актин (MreB и Mb1) и междинни нишки (CfoA).

Препратки

1. Cooper, GM (2000). Клетката: Молекулен подход. Sinauer Associates.
2. Dorman, CJ, & Deighan, P. (2003). Регулиране на генната експресия от хистон-подобни протеини в бактерии. Настоящо мнение в генетиката и развитието, 13 (2), 179-184.
3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Скритата страна на прокариотната клетка: преоткриване на микробния свят. International Microbiology, 10 (3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Клетъчна биология на прокариотни органели. Перспективи на студеното пролетното пристанище в биологията, a000422.
5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Видовата концепция за прокариоти. FEMS микробиологични прегледи, 25 (1), 39-67.
6. Слесарев, А. И., Белова, Г. И., Козявкин, SA, & Lake, JA (1998). Доказателство за ранен прокариотен произход на хистони H2A и H4 преди появата на еукариоти. Изследване на нуклеинови киселини, 26 (2), 427-430.
7. Souza, WD (2012). Прокариотни клетки: структурна организация на цитоскелета и органели. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 107 (3), 283-293.