Prokaryotiske celleegenskaper, cellestruktur, typer



den prokaryote celler de er enkle strukturer og uten en kjerne avgrenset av en plasmamembran. De organismer assosiert med denne celletypen er enscellulære, selv om de kan grupperes og danne sekundære strukturer, for eksempel kjeder.

Av de tre domenene som foreslås av Carl Woese, svarer prokaryotene til bakterier og archaea. Det gjenværende domenet, Eucarya, består av eukaryote celler, større, mer komplekse og med en avgrenset kjerne.

En av de viktigste dikotomiene i de biologiske vitenskaper er skillet mellom eukaryote og prokaryote celle. Historisk sett er en prokaryot organisme betraktes som enkel, interne organisasjon, uten mangler organeller og cytoskjelettet. Men nye bevis ødelegger disse paradigmene.

For eksempel har strukturer blitt identifisert i prokaryoter som potensielt kan betraktes som organeller. På samme måte er proteiner som er homologe til proteinene av eukaryoter som danner cytoskeletet blitt funnet.

Prokaryoter er svært varierte i ernæringen. De kan bruke lys fra solen og energien i kjemiske bindinger som energikilde. De kan også bruke forskjellige kilder til karbon, som for eksempel karbondioksid, glukose, aminosyrer, proteiner, blant andre..

Prokaryoter deles aseksuelt ved binær fisjon. I denne prosessen replikerer organismen sitt sirkulære DNA, øker volumet og til slutt deler det i to identiske celler.

Imidlertid er det mekanismer for utveksling av genetisk materiale som genererer variabilitet i bakterier, slik som transduksjon, konjugering og transformasjon.

index

  • 1 Generelle egenskaper
  • 2 struktur
  • 3 Typer av prokaryoter
  • 4 Morfologi av prokaryoter
  • 5 Reproduksjon
    • 5.1 Seksuell reproduksjon
    • 5.2 Ytterligere kilder til genetisk variabilitet
  • 6 Ernæring
    • 6.1 Næringsrik kategori
    • 6.2 Photoautotrophs
    • 6.3 Fotoheterotrofer
    • 6.4 Chemoautotrophs
    • 6,5 kjemoheterotrofer
  • 7 Metabolisme
  • 8 Fundamentelle forskjeller med eukaryote celler
    • 8.1 Størrelse og kompleksitet
    • 8,2 Core
    • 8.3 Organisering av genetisk materiale
    • 8.4 Komprimering av genetisk materiale
    • 8,5 organeller
    • 8.6 Struktur av ribosomet
    • 8.7 Cellvegg
    • 8.8 Cell divisjon
  • 9 Phylogeni og klassifisering
  • 10 Nye perspektiver
    • 10.1 Organeller i prokaryoter
    • 10.2 Magnetosomer
    • 10.3 Fotosyntetiske membraner
    • 10,4 rom i planktomycetene
    • 10.5 Komponenter av cytoskelettet
  • 11 referanser

Generelle egenskaper

Prokaryoter er relativt enkle unicellulære organismer. Den mest fremragende karakteristikken som identifiserer denne gruppen er fraværet av en ekte kjernen. De er delt inn i to store grener: ekte bakterier eller eubakterier og archaebacteria.

De har kolonisert nesten alle tenkelige habitat, fra vann og jord til det indre av andre organismer, inkludert mennesket. Spesielt har arkebakterier områder med temperaturer, saltholdighet og ekstrem pH.

struktur

Den arkitektoniske ordningen til en typisk prokaryote er uten tvil den av Escherichia coli, en bakterie som normalt lever i vårt fordøyelsessystem.

Celleformen ligner en stokk og har 1 um i diameter og 2 um i lengden. Prokaryoter er omgitt av en cellevegg, som hovedsakelig består av polysakkarider og peptider.

Den bakterielle celleveggen er en meget viktig egenskap og, ifølge strukturen, tillater etablering av et klassifikasjonssystem i to store grupper: gram positive og gram negative bakterier.

Etterfulgt av cellevegget finner vi en membran (vanlig element mellom prokaryoter og eukaryoter) av en lipid natur med en serie proteselementer innebygd i det som skiller organismen fra sitt miljø.

DNA er et sirkulært molekyl som ligger i en spesifikk region som ikke har noen type membran eller separasjon med cytoplasma.

Cytoplasma utviser et grovt utseende og har omtrent 3000 ribosomer - strukturer som er ansvarlige for proteinsyntese.

Typer av prokaryoter

Aktuelle prokaryoter er sammensatt av en rekke bakterier som er delt i to domener: eubakterier og archaebacteria. Ifølge bevisene ser disse gruppene ut til å ha divergert veldig tidlig i utviklingen.

Archaea er en gruppe av prokaryoter, som generelt lever i miljøer som er uvanlige betingelser, slik som temperatur eller høy saltholdighet. Disse forholdene er sjeldne i dag, men de kan bli utbredt i det primitive landet.

For eksempel lever termoacidofiler i områder hvor temperaturen når maksimalt 80 ° C og en pH på 2.

Eubacteria, derimot, lever i et felles miljø for oss mennesker. De kan bo i jord, vann eller leve i andre organismer - som bakterier som er en del av fordøyelseskanalen.

Morfologi av prokaryoter

Bakterier kommer i en rekke svært varierte og heterogene morfologier. Blant de vanligste har vi de avrundede som kalles kokosnøtter. Disse kan presenteres individuelt, i par, i en kjede, i tetrads, etc..

Noen bakterier er morfologisk lik en stokk og kalles baciller. Akkurat som kokosnøtter finnes i forskjellige arrangementer med mer enn ett individ. Vi finner også spiralformede spiroketter og de som har en koma eller kornform kalt vibrios.

Hver av disse beskrevne morfologiene kan variere mellom forskjellige arter - for eksempel kan en bacillus være lengre enn en annen eller med flere avrundede kanter - og er nyttig når man identifiserer arten.

reproduksjon

Seksuell reproduksjon

Reproduksjon i bakterier er aseksuell og oppstår gjennom binær fisjon. I denne prosessen bryter organismen bokstavelig talt inn i to, noe som resulterer i kloner av den første organismen. For at dette skal skje, må det være tilstrekkelige ressurser tilgjengelig.

Prosessen er relativt enkel: det sirkulære DNA replikerer, og danner to identiske dobbelte helikser. Deretter blir det genetiske materialet innkapslet i cellemembranen, og cellen begynner å vokse, til den dobler sin størrelse. Cellen er endelig delt og hver resulterende del har en sirkulær DNA-kopi.

I enkelte bakterier kan cellene dele materialet og vokse, men de deler seg ikke i det hele tatt og danner en slags kjede.

Ytterligere kilder til genetisk variabilitet

Det er genutvekslingshendelser mellom bakterier som tillater genetisk overføring og rekombination, en prosess som ligner på det vi kjenner som seksuell reproduksjon. Disse mekanismene er konjugasjon, transformasjon og transduksjon.

Konjugasjonen består av utveksling av genetisk materiale mellom to bakterier ved hjelp av en struktur som ligner på fine hår som kalles pili eller fimbrias, som fungerer som en "bro". I dette tilfellet må det være en fysisk nærhet mellom begge individer.

Transformasjonen innebærer å ta fragmenter av nakent DNA som finnes i miljøet. Det vil si at i denne prosessen er tilstedeværelsen av en andre organisme ikke nødvendig.

Endelig har vi oversettelsen, hvor bakterien anskaffer det genetiske materialet ved hjelp av en vektor, for eksempel bakteriofager (virus som smitter bakterier).

ernæring

Bakterier trenger stoffer som garanterer overlevelse, og som gir dem den nødvendige energien til cellulære prosesser. Cellen vil ta disse næringsstoffene ved absorpsjon.

Generelt kan vi klassifisere næringsstoffene som essensielle eller grunnleggende (vann, karbonkilder og nitrogenforbindelser), sekundære (som noen ioner: kalium og magnesium) og sporstoffer som trengs i minimumskonsentrasjoner (jern, kobolt).

Noen bakterier trenger spesifikke vekstfaktorer, for eksempel vitaminer og aminosyrer og stimulerende faktorer som, men ikke nødvendigvis, hjelper i vekstprosessen.

Ernæringsmessige krav til bakterier varierer mye, men deres kunnskap er nødvendig for å kunne forberede effektive kulturmedier som sikrer veksten av en organisme av interesse.

Ernæringsmessige kategorier

Bakterier kan klassifiseres i henhold til karbonkilden de bruker, enten organiske eller uorganiske, og avhengig av energikilden som er oppnådd.

Ifølge karbonkilden har vi to grupper: autotrofer eller litotrofer bruker karbondioksid og heterotrofer eller organotrofer som krever en organisk karbonkilde.

I tilfelle av energikilden har vi også to kategorier: fototrofer som bruker energien som kommer fra solen eller stråleenergi og kjemikalier som er avhengige av energien til de kjemiske reaksjonene. Ved å kombinere begge kategorier kan bakteriene derfor klassifiseres i:

photoautotrophic

Energi er hentet fra sollys - noe som betyr at de er fotosyntetisk aktive - og deres karbonkilde er karbondioksid.

photoheterotrophs

De er i stand til å bruke strålende energi for deres utvikling, men er ikke i stand til å innlemme karbondioksid. Derfor bruker de andre kilder til karbon, som alkoholer, fettsyrer, organiske syrer og karbohydrater.

chemoautotrophs

Energi er oppnådd av kjemiske reaksjoner, og de er i stand til å innlemme karbondioksid.

chemoheterotrophs

De bruker energien som kommer fra de kjemiske reaksjonene, og karbonet kommer fra organiske forbindelser, som glukose - som er den mest brukte - lipider og proteiner. Legg merke til at energikilden og karbonkilden er de samme i begge tilfeller, slik at differensieringen mellom de to er vanskelig.

Vanligvis tilhører mikroorganismer som regnes som patogener av mennesket til denne siste kategorien og bruker som kullkilde aminosyrene og lipidforbindelsene til sine verter.

metabolisme

Metabolismen omfatter alle komplekse kjemiske reaksjoner katalysert av enzymer som forekommer inne i en organisme slik at den kan utvikle og reprodusere.

I bakterier adskiller disse reaksjonene seg ikke fra de grunnleggende prosessene som forekommer i mer komplekse organismer. Faktisk har vi flere ruter som deles av begge linjer av organismer, som for eksempel glykolyse.

Metabolske reaksjoner er klassifisert i to hovedgrupper: biosyntetiske reaksjoner eller anabole og katabolske degradering eller reaksjoner som forekommer for å oppnå produksjon av kjemisk energi.

De katabolske reaksjonene frigjør i en forskjøvet måte energi som organismen bruker til biosyntese av komponentene.

Fundamentelle forskjeller med eukaryote celler

Prokaryoter er forskjellig fra prokaryoter, hovedsakelig i cellens strukturelle kompleksitet og i prosessene som forekommer i den. Neste vil vi beskrive hovedforskjellene mellom begge linjene:

Størrelse og kompleksitet

Generelt er prokaryote celler mindre enn eukaryoter. Den tidligere har diametre mellom 1 og 3 μm, i motsetning til en eukaryotisk celle som kan nå 100 μm. Det er imidlertid noen unntak.

Selv om prokaryote organismer er unicellulære og vi ikke kan observere dem med det blotte øye (med mindre vi observerer bakteriekolonier, for eksempel), bør vi ikke bruke karakteristikk for å skille mellom begge grupper. I eukaryoter finner vi også unicellulære organismer.

Faktisk er en av de mest komplekse cellene encellede eukaryoter, siden de må inneholde alle strukturer som er nødvendige for deres utvikling begrenset til en cellulær membran. Sjangrene paramecium og Trypanosoma de er bemerkelsesverdige eksempler på dette.

På den annen side er det svært komplekse prokaryoter, slik som cyanobakterier (prokaryotisk gruppe hvor utviklingen av fotosyntetiske reaksjoner fant sted).

kjerne

Ordet "prokaryote" refererer til fraværet av en kjernen (pro = før; karyon = kjernen) mens eukaryoter har en ekte kjernen (eu = sant). Dermed er disse to gruppene skilt fra nærværet av denne viktige organellen.

I prokaryoter distribueres det genetiske materialet i en bestemt region av cellen som kalles nukleoid - og det er ikke en ekte kjernen fordi den ikke er begrenset av en lipidmembran.

Eukaryoter har en definert kjernen og er omgitt av en dobbel membran. Denne strukturen er ekstremt kompleks, og presenterer forskjellige områder inni, for eksempel nukleolus. I tillegg kan denne organellen interagere med det indre miljøet i cellen takket være tilstedeværelsen av atomporer.

Organisering av genetisk materiale

Prokaryoter inneholder fra 0,6 til 5 millioner basepar i deres DNA, og det anslås at de kan kode opp til 5000 forskjellige proteiner. 

Prokaryotiske gener er organisert i enheter som kalles operoner - som kjent operon laktose - mens eukaryotiske gener ikke.

I gener kan vi skille to "regioner": introner og exoner. Den første er deler som ikke kodes for proteinet og som forstyrrer kodende regioner, kalt exoner. Introns er vanlige i eukaryotiske gener, men ikke i prokaryoter.

Prokaryoter er generelt haploide (en enkelt genetisk last) og eukaryoter har både haploid og polyploidbelastninger. For eksempel er vi mennesker diploider. På samme måte har prokaryoter et kromosom og eukaryoter mer enn en.

Komprimering av genetisk materiale

Innenfor cellekjernen utviser eukaryoter en kompleks organisering av DNA. En langkjedet DNA (omtrent to meter) er i stand til å bli viklet slik at det kan integreres i kjernen og under delingsprosessen kan bli visualisert under mikroskop som kromosomer.

Dette DNA Kompakteringsprosessen innebærer en rekke proteiner som er i stand til å binde til tråd og danner strukturer som ligner perler på en snor, hvor tråden er representert ved DNA og konti perler. Disse proteinene kalles histoner.

Histoner har blitt mye bevart gjennom evolusjonen. Det vil si at våre histoner er utrolig lik musene, eller for å gå videre til et insekt. Strukturelt har de et høyt antall positivt ladede aminosyrer som interagerer med de negative ladningene av DNA.

I prokaryoter er visse proteiner homologe til histon som er kjent som histoner, funnet-som. Disse proteinene bidrar til kontrollen av genuttrykk, DNA rekombination og replikasjon og, som histoner i eukaryoter, deltar i nukleoidorganisasjon.

organeller

I eukaryotiske celler kan en rekke svært komplekse subcellulære rom identifiseres som utfører spesifikke funksjoner.

Det viktigste er mitokondriene, som er ansvarlige for cellulær respirasjon prosesser og ATP generasjon, og planter stå kloroplaster med tre membraner system og maskiner som er nødvendig for fotosyntesen.

Også, vi har Golgi-komplekset, glatt og grov endoplasmisk retikulum, vacuoler, lysosomer, peroksisomer, blant andre.

Strukturen av ribosomet

Ribosomer omfatter maskineri som er nødvendige for syntese av proteiner, så de må være til stede i både eukaryoter og prokaryoter. Selv om det er en uunnværlig struktur for begge, varierer den overveiende i størrelse.

Ribosomer består av to underenheter: en stor og en liten. Hver underenhet er identifisert av en parameter kalt sedimenteringskoeffisient.

I prokaryoter er den store underenheten 50S og den lille underenheten er 30S. Den komplette strukturen kalles 70S. Ribosomer er spredt i cytoplasma, hvor de utfører sine oppgaver.

Eukaryoter har større ribosomer, den store underenheten er 60S, den lille er 40S og hele ribosomet er utpekt med verdien av 80S. Disse er hovedsakelig forankret i det grove endoplasmatiske retikulum.

Cellvegg

Cellevegget er et viktig element for å takle osmotisk stress og fungerer som en beskyttende barriere mot mulig skade. Nesten alle prokaryoter og noen grupper av eukaryoter har en cellevegg. Forskjellen ligger i den kjemiske naturen av den.

Celleveggen består av peptidoglykan, en polymer som omfatter to strukturelle elementer: N-acetylglukosamin og N-acetylmuraminsyre, som er knyttet sammen ved β-1,4 typen.

Innenfor eukaryotisk stamme er det også celler med vegger, hovedsakelig i enkelte sopp og i alle planter. Den mest omfattende forbindelsen i soppveggen er kitin og i planter er den cellulose, en polymer dannet av mange glukoseenheter.

Cell divisjon

Som diskutert ovenfor deles prokaryoter av binær fisjon. Eukaryoter har et komplekst divisjonssystem som involverer ulike stadier av nukleær divisjon, det være seg mitose eller meiose.

Phylogeni og klassifisering

Vi er vanligvis vant til å definere en art i samsvar med det biologiske konseptet foreslått av E. Mayr i 1989: "grupper av kryss-kryssende naturlige populasjoner som er reproduktivt isolert fra andre grupper".

Bruk av dette konseptet til aseksuelle arter, som det er tilfelle av prokaryoter, er umulig. Derfor må det være en annen måte å nærme seg konseptet av arter for å klassifisere disse organismer.

Ifølge Rosselló-Mora et al. (2011), passer konseptet kant-fenetisk godt med denne i rett linje: "en monophyletic gruppe og genomisk sammenhengende individuelle organismer som viser en høy grad av generell likhet mange uavhengige egenskaper, og er diagnostisert med et diskriminerende fenotypisk egenskap".

Tidligere ble alle prokaryoter klassifisert i et enkelt "domene", inntil Carl Woese foreslo at livets tre skulle ha tre hovedgrener. Etter denne klassifiseringen omfatter prokaryoter to domener: Archaea og Bacteria.

Innenfor bakteriene finner vi fem grupper: proteobakterier, klamydier, spiroketter cyanobakterier og gram-positive bakterier. På samme måte har vi fire hovedgrupper av arkea: Euryarchaeota, Grupo TACK, Asgard og Grupo DPANN.

Nye perspektiver

En av de mest utbredte konseptene i biologi er enkelheten til den prokaryote cytosolen. Nye indikasjoner tyder imidlertid på at det er en potensiell organisasjon i prokaryote celler. Foreløpig forsøker forskere å rive ned dogmen av fraværet av organeller, cytoskelet og andre egenskaper i denne unicellular lineage.

Organeller i prokaryoter

Forfatterne til denne novellen og kontroversielle forslaget sikrer at det er nivåer av compartmentalization i eukaryote celler, hovedsakelig i strukturer avgrenset av proteiner og ved intracellulære lipider.

Ifølge forsvarerne av denne ideen, er en organel et rom omgitt av en biologisk membran med en bestemt biokjemisk funksjon. Blant disse "organeller" som følger denne definisjonen har vi lipidlegemene, karboksysomerene, gassvakuene, blant andre.

magnetosomes

En av de mest fascinerende delene av bakterier er magnetosomer. Disse strukturene er relatert til kapasiteten til visse bakterier som Magnetospirillum eller Magnetococcus - å bruke magnetfelt for orientering.

Strukturelt er de en liten kropp på 50 nanometer omgitt av en lipidmembran, hvis interiør består av magnetiske mineraler.

Fotosyntetiske membraner

I tillegg har noen prokaryoter "fotosyntetiske membraner", som er de mest studerte romene i disse organismene.

Disse systemene arbeider for å maksimere effektiviteten til fotosyntese, øke antall fotosyntetiske proteiner tilgjengelig og maksimere membranoverflaten som er utsatt for lys.

Rom i planctomycetes

Det har ikke vært mulig å spore en troverdig evolusjonær bane fra ovennevnte rom til de svært komplekse organeller av eukaryoter.

Men sjangeren planctomycetes Den har en serie av rom inne som minner organellene seg selv og kan foreslås som den bakterielle forfader av eukaryoter. I sjangeren Pirellula Det er kromosomer og ribosomer omgitt av biologiske membraner.

Komponenter av cytoskelettet

Tilsvarende er det visse proteiner som historisk ble ansett som unike for eukaryoter, inkludert de essensielle filamenter som er en del av cytoskelettet: tubulin, aktin og mellomliggende filamenter.

Nylige undersøkelser har lyktes med å identifisere proteiner som er homologe med tubulin (FtsZ, BtuA, BtuB og andre), til actin (MreB og Mb1) og til mellomliggende filamenter (CfoA).

referanser

  1. Cooper, G. M. (2000). Cellen: Molekylær tilnærming. Sinauer Associates.
  2. Dorman, C.J., & Deighan, P. (2003). Regulering av genuttrykk av histon-lignende proteiner i bakterier. Nåværende mening i genetikk og utvikling, 13(2), 179-184.
  3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Den skjulte siden av den prokaryote cellen: gjenoppdagelse av den mikrobielle verden. Internasjonal mikrobiologi, 10(3), 157-168.
  4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Cellbiologi av prokaryotiske organeller. Cold Spring Harbour perspektiver i biologi, a000422.
  5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Art konseptet for prokaryoter. FEMS mikrobiologi vurderinger, 25(1), 39-67.
  6. Slesarev, A.I., Belova, G.I., Kozyavkin, S.A., & Lake, J.A. (1998). Bevis for en tidlig prokaryotisk opprinnelse av histoner H2A og H4 før fremveksten av eukaryoter. Nukleinsyrer forskning, 26(2), 427-430.
  7. Souza, W. D. (2012). Prokaryote celler: strukturell organisering av cytoskelet og organeller. Minnene til Oswaldo Cruz Institute, 107(3), 283-293.