ПРОКАРИОТСКА ЋЕЛИЈА: КАРАКТЕРИСТИКЕ, ЋЕЛИЈСКА СТРУКТУРА, ТИПОВИ - БИОЛОГИЈА - 2025

У прокариотски Ћелије су једноставни и без језгра ограничен плазма мембране структурама. Организми повезани са овим ћелијским типом су једноћелијски, мада се могу груписати и формирати секундарне структуре, као што су ланци.

Од три домене живота које је предложио Царл Воесе, прокариоти одговарају бактеријама и архејама. Преостали домен, Еуцариа, чине веће, сложеније еукариотске ћелије са ограниченим нуклеусом.

Прокариотска ћелија. Извор: Аутор Али Зифан, из Викимедиа Цоммонс

Једна од најважнијих дихотомија у биолошким наукама је разлика између еукариотске и прокариотске ћелије. Историјски гледано, прокариотски организам се сматра једноставним, без унутрашње организације, без органела и без цитоскелета. Међутим, нови докази уништавају ове парадигме.

На пример, у прокариотима су идентификоване структуре које потенцијално могу да се сматрају органелама. Исто тако, пронађени су протеини хомологни протеинима еукариота који формирају цитоскелет.

Прокариоти су веома разнолики у погледу своје хранљивости. Они могу користити светлост сунца и енергију садржану у хемијским везама као извор енергије. Такође могу да користе различите изворе угљеника, као што су угљен диоксид, глукоза, аминокиселине, протеини, између осталог.

Прокариоти се асексуално деле бинарном цепљењем. У овом процесу организам реплицира своју кружну ДНК, повећава му запремину и на крају се дели на две идентичне ћелије.

Међутим, постоје механизми за размену генетског материјала који стварају варијабилност у бактеријама, попут трансдукције, коњугације и трансформације.

Опште карактеристике

Прокариоти су релативно једноставни једноћелијски организми. Најупечатљивија карактеристика која идентификује ову групу је одсуство правог језгра. Подељене су у две велике гране: праве бактерије или еубактерије и архебактерије.

Колонизовали су готово свако могуће замисливо станиште, од воде и тла до унутрашњости других организама, укључујући људе. Конкретно, архебактерије настањују подручја са екстремним температурама, сланошћу и пХ.

Структура

Просечна прокариотска ћелија.

Архитектонска шема типичног прокариота је без сумње бактерија Есцхерицхиа цоли, бактерија која нормално живи у нашем гастроинтестиналном тракту.

Облик ћелије подсећа на шипку и има пречник од 1 ум до 2 ум. Прокариоти су окружени ћелијским зидом, састављеним углавном од полисахарида и пептида.

Зид бактеријске ћелије је веома важна карактеристика и, у зависности од његове структуре, омогућава успостављање система класификације у две велике групе: грам позитивне и грам негативне бактерије.

Пратећи ћелијску стијенку, налазимо мембрану (заједнички елемент између прокариота и еукариота) липидне природе с низом протетских елемената уграђених у њу која одваја организам од његове околине.

ДНК је кружни молекул смештен у специфичном региону који нема никакву врсту мембране или одвајање са цитоплазмом.

Цитоплазма има храпав изглед и има око 3.000 рибосома - структура одговорних за синтезу протеина.

Врсте прокариота

Тренутни прокариоти састоје се од широког спектра бактерија које су подељене у два велика домена: Еубацтериа и Арцхаебацтериа. Према доказима, чини се да су се ове групе разишле врло рано у еволуцији.

Архебактерије су група прокариота који углавном живе у окружењима са необичним условима, као што су температуре или велика сланост. Ови услови су данас ретки, али су можда превладавали у раној земљи.

На пример, термоакидофили живе у подручјима где температура достиже максимално 80 ° Ц и пХ 2.

Еубактерије са своје стране живе у срединама уобичајеним за нас људе. Они могу да насељавају тло, воду или живе у другим организмима - попут бактерија које су део нашег пробавног тракта.

Морфологија прокариота

Бактерије долазе у низу веома разноликих и хетерогених морфологија. Међу најчешћим имамо заобљене који се називају кокос. Оне се могу појавити појединачно, у паровима, у ланцу, у тетрадама итд.

Неке бактерије су морфолошки сличне шипкама и називају се бацили. Као и кокоси, могу се наћи у различитим аранжманима са више од једне јединке. Такође проналазимо спирокете у облику спирале и оне са зарезом или зрнцима зване вибриос.

Свака од ових описаних морфологија може варирати између различитих врста - на пример, један бацил може бити издуженији од другог или са заобљеним ивицама - и корисни су при идентификацији врста.

Репродукција

Асексуална репродукција

Размножавање у бактеријама је асексуално и јавља се бинарном фисијом. У овом процесу организам се буквално "дели на два", што резултира клоновима почетног организма. За то се морају наћи довољни ресурси.

Процес је релативно једноставан: кружне ДНК реплике се стварају два идентична двострука хелика. Касније се генетски материјал смешта у ћелијску мембрану и ћелија почиње да расте, све док се не удвостручи у величини. Ћелија се на крају дели, а сваки резултирајући део има кружну копију ДНК.

У неким бактеријама ћелије могу да деле материјал и расту, али се не деле потпуно и формирају неку врсту ланца.

Додатни извори генетске варијабилности

Постоје догађаји размјене гена између бактерија који омогућавају генетски пријенос и рекомбинацију, процес сличан ономе што знамо као сексуална репродукција. Ови механизми су коњугација, трансформација и трансдукција.

Коњугација се састоји од размене генетског материјала између две бактерије кроз структуру сличну ситним длачицама званим пили или фимбрије, која делује као „мост“. У овом случају мора постојати физичка блискост између обе особе.

Трансформација укључује узимање голих фрагмената ДНК који се налазе у околини. Односно, у овом процесу присуство другог организма није неопходно.

Коначно имамо превод, где бактерија генетски материјал добија путем вектора, на пример бактериофага (вируса који инфицирају бактерије).

Прехрана

Бактеријама су потребне супстанце које гарантују њихов опстанак и које им дају енергију неопходну за ћелијске процесе. Ћелија ће апсорбовати ове храњиве састојке.

Опћенито, храњиве материје можемо класификовати као есенцијалне или основне (вода, извори угљеника и азотна једињења), секундарни (као што су неки јони: калијум и магнезијум) и елементи у траговима који су потребни у минималним концентрацијама (гвожђе, кобалт).

Неким бактеријама су потребни специфични фактори раста, попут витамина и аминокиселина и фактора стимулације који, иако нису битни, помажу у процесу раста.

Храњиве потребе за бактеријама увелико варирају, али њихово знање је неопходно да би се могло припремити ефикасно културно средство које ће осигурати раст организма од интереса.

Прехрамбене категорије

Бактерије се могу класификовати према извору угљеника који користе, било органским или неорганским и у зависности од извора производње енергије.

Према извору угљеника имамо две групе: аутотрофи или литотрофи користе угљендиоксид, а хетеротрофи или органотрофи којима је потребан органски извор угљеника.

У случају извора енергије такође имамо две категорије: фототрофе који користе енергију сунца или зрачећу енергију и хемотрофе који зависе од енергије хемијских реакција. На тај начин, комбинујући обе категорије, бактерије се могу сврстати у:

Пхотоаутотропхс

Енергију добијају сунчевом светлошћу - што значи да су фотосинтетски активне - а њихов извор угљеника је угљен диоксид.

Фотохетеротрофи

Они су способни да користе блиставу енергију за свој развој, али нису у стању да укључе угљен диоксид. Због тога користе друге изворе угљеника, попут алкохола, масних киселина, органских киселина и угљених хидрата.

Цхемоаутотропхс

Енергију добијају хемијским реакцијама и могу да укључе угљен диоксид.

Хемохетеротрофи

Они користе енергију из хемијских реакција, а угљеник долази из органских једињења, попут глукозе - која се највише користи - липида, а такође и протеина. Имајте на уму да су извор енергије и извор угљеника у оба случаја исти, па је разликовање између ова два тешко.

Генерално, микроорганизми који се сматрају људским патогенима припадају овој последњој категорији и користе аминокиселине и липидна једињења својих домаћина као извор угљеника.

Метаболизам

Метаболизам обухвата све сложене, ензимски катализоване хемијске реакције које се одвијају у организму како би се могао развити и размножавати.

Код бактерија се ове реакције не разликују од основних процеса који се дешавају у сложенијим организмима. У ствари, имамо више путева које дијеле обје врсте организама, као што је на примјер гликолиза.

Метаболичке реакције класификују се у две велике групе: биосинтеза или анаболичке реакције и деградација или катаболичке реакције које настају ради добијања хемијске енергије.

Катаболичке реакције ослобађају енергију на поступан начин који тело користи за биосинтезу својих компоненти.

Темељне разлике од еукариотских ћелија

Прокариоти се разликују од прокариота пре свега структурном сложеношћу ћелије и процесима који се одвијају у њој. У наставку ћемо описати главне разлике између двије линије:

Величина и сложеност

Генерално, прокариотске ћелије су мање од еукариотских ћелија. Прве имају пречник између 1 и 3 ум, за разлику од еукариотске ћелије која може достићи 100 ум. Међутим, постоје и неки изузеци.

Иако су прокариотски организми једноћелијски и не можемо их посматрати голим оком (на пример, ако посматрамо колоније бактерија), не бисмо требали користити карактеристике за разликовање обе групе. У еукариотама налазимо и једноћелијске организме.

У ствари, једна од најкомплекснијих ћелија су једноћелијски еукариоти, јер морају да садрже све структуре потребне за њихов развој затворене у ћелијској мембрани. Примери тога су родови Парамецијум и Трипаносома.

С друге стране, постоје веома сложени прокариоти, попут цијанобактерија (прокариотска група у којој се одвијала еволуција фотосинтетских реакција).

Језгро

Реч "прокариот" односи се на одсуство језгра (про = пре; карион = језгро) док еукариоти имају право језгро (еу = истина). Тако су ове две групе раздвојене присуством овог важног органеле.

Код прокариота се генетски материјал налази расподељен у специфичном пределу ћелије који се назива нуклеоид - и није право језгро, јер није ограничен липидном мембраном.

Еукариоти имају дефинисано језгро и окружени су двоструком мембраном. Ова структура је изузетно сложена, представља различита подручја изнутра, као што је нуклеолус. Поред тога, ова органела може комуницирати са унутрашњим окружењем ћелије захваљујући присуству нуклеарних пора.

Организација генетског материјала

Прокариоти садрже од 0,6 до 5 милиона базних парова у својој ДНК и процењује се да могу кодирати до 5.000 различитих протеина.

Прокариотски гени се организују у ентитете зване оперони - попут добро познатог лактозног оперона - док еукариотски гени то не чине.

У генима можемо разликовати два „региона“: интроне и ексоне. Први су делови који не кодирају протеин и који прекидају кодирајуће области, назване егзони. Интрони су уобичајени у еукариотским генима, али не и у прокариотима.

Прокариоти су углавном хаплоидни (једно генетско оптерећење), а еукариоти имају хаплоидно и полиплоидно оптерећење. На пример, ми људи смо диплоидни. Слично томе, прокариоти имају један хромозом, а еукариоти више од једног.

Сажимање генетског материјала

У ћелијском језгру, еукариоти показују сложену ДНК организацију. Дуги ланац ДНК (дугачак приближно два метра) способан је да се увија на такав начин да се може интегрисати у језгро и током процеса дељења може се под микроскопом визуализовати у облику хромозома.

Овај поступак сабијања ДНК укључује низ протеина који су у стању да се вежу за ланац и формирају структуре које подсећају на бисерну огрлицу, где је прамен представљен ДНК, а перле бисери. Ови протеини се називају хистони.

Хистони су нашироко чувани током еволуције. Другим речима, наши хистони су невероватно слични онима миша, или да иду даље од инсекта. Структурно имају велики број позитивно набијених аминокиселина које узајамно делују са негативним набојима ДНК.

У прокариотима су пронађени одређени протеини хомологни хистонима, који су опште познати као хистони. Ови протеини доприносе контроли експресије гена, рекомбинацији и репликацији ДНК и, попут хистона у еукариотама, учествују у организацији нуклеоида.

Органеле

У еукариотским ћелијама може се идентификовати низ веома сложених субћелијских предела који обављају специфичне функције.

Најрелевантнији су митохондрији одговорни за процесе ћелијског дисања и стварање АТП-а, а у биљкама се истичу хлоропласти са својим тро-мембранским системом и машином потребном за фотосинтезу.

Исто тако, имамо Голгијев комплекс, глатки и груби ендоплазматски ретикулум, вакуоле, лизосоме, пероксизоме, између осталих.

Рибосомна структура

Рибозоми

Рибосоми садрже механизме неопходне за синтезу протеина, па морају бити присутни и у еукариотима и у прокариоту. Иако је обојица незамјењива структура, разликује се углавном величином.

Рибосоми су састављени од две подјединице: велике и мале. Свака подјединица се идентификује параметром који се зове коефицијент седиментације.

Код прокариота велика подјединица је 50С, а мала подјединица 30С. Цела структура се зове 70С. Рибосоми су разбацани по цитоплазми, где обављају своје задатке.

Еукариоти имају веће рибосоме, велика подјединица је 60С, мала подјединица 40С, а цео рибосом означен као 80С. Смештају се углавном усидрени у груби ендоплазматски ретикулум.

Ћелијски зид

Ћелијски зид је битан елемент за суочавање са осмотским стресом и служи као заштитна баријера од могућих оштећења. Скоро сви прокариоти и неке групе еукариота имају ћелијски зид. Разлика је у хемијској природи.

Зид бактерија састоји се од пептидогликана, полимера који се састоји од два структурна елемента: Н-ацетил-глукозамина и Н-ацетилмурамске киселине, повезаних заједно везама типа β-1,4.

Унутар еукариотске лозе постоје и зидне ћелије, углавном у неким гљивицама и у свим биљкама. Најзаступљеније једињење у зиду гљивица је химин, а у биљкама је целулоза, полимер кога чине многе јединице глукозе.

Ћелијска подела

Као што смо раније расправљали, прокариоти се деле бинарном фисијом. Еукариоти имају сложен систем дељења који укључује различите фазе нуклеарне поделе, било митозу или мејозу.

Филогенија и класификација

Генерално смо навикли да дефинишемо врсту према биолошком концепту који је предложио Е. Маир 1989. године: "групе крижаних природних популација које су репродуктивно изолиране од других група".

Примена овог концепта на асексуалне врсте, као што је случај са прокариотима, немогућа је. Због тога мора постојати други начин да се приступ концепту врста ради класификације ових организама.

Према Росселло-Мора ет ал. (2011), фило-фенетички концепт добро се уклапа у ову линију: „монофилетни и геномски кохерентан скуп појединачних организама који показују висок степен опште сличности у многим независним карактеристикама и дијагностификован је дискриминишућим фенотипским својством“.

Раније су сви прокариоти сврстани у једну "домену", све док Царл Воесе није сугерисао да дрво живота треба да има три главне гране. После ове класификације, прокариоти укључују две домене: Арцхаеа и Бацтериа.

Унутар бактерија налазимо пет група: протеобактерије, кламидије, цијанобактеријске спирокете и грам позитивне бактерије. Слично томе, имамо и четири главне групе археја: Еуриарцхаеота, ТАЦК Гроуп, Асгард и ДПАНН Гроуп.

Нови увиди

Један од најраширенијих концепата у биологији је једноставност прокариотског цитосола. Међутим, нови докази указују на постојање потенцијалне организације у прокариотским ћелијама. Тренутно научници покушавају разбити догму о одсуству органела, цитоскелета и других карактеристика у овој једноцеличној линији.

Органеле у прокариотима

Аутори овог врло новог и контроверзног предлога тврде да постоје нивои подела у еукариотским ћелијама, углавном у структурама омеђеним протеинима и унутарћелијским липидима.

Према заговорницима ове идеје, органела је одељак окружен биолошком мембраном са специфичном биохемијском функцијом. Међу тим „органелама“ који одговарају овој дефиницији, између осталих имамо и липидна тела, карбокси-сом, гасне вакуоле.

Магнетосоми

Један од најфасцинантнијих делова бактерија су магнетосоми. Ове структуре су повезане са способношћу одређених бактерија - попут Магнетоспириллум или Магнетоцоццус - да користе магнетна поља за оријентацију.

Конструкцијски су то мало тело од 50 нанометара окружено липидном мембраном, чија се унутрашњост састоји од магнетних минерала.

Фотосинтетске мембране

Надаље, неки прокариоти имају „фотосинтетске мембране“, које су најгледаније одјељке у тим организмима.

Ови системи делују на максимизирању ефикасности фотосинтезе, повећавајући број доступних фотосинтетских протеина и максимизирајући површину која је изложена светлости.

Одељци унутра

Није било могуће пратити веродостојан еволутивни пут од ових претходно поменутих одељка до изузетно сложених органела еукариота.

Међутим, род Планцтомицетес има низ одељка који подсећају на саме органеле и могу се предложити као бактеријски предак еукариота. У роду Пиреллула постоје хромозоми и рибосоми окружени биолошким мембранама.

Компоненте цитоскелета

Слично томе, постоје одређени протеини за које се историјски сматрало да су еукариоти јединствени, укључујући есенцијалне филаменте који су део цитоскелета: тубулин, актин и интермедијарни филаменти.

Недавна истраживања су успела да идентификују протеине хомологне тубулину (ФтсЗ, БтуА, БтуБ и други), да делују на актин (МреБ и Мб1) и на интермедијарне филаменте (ЦфоА).

Референце

1. Цоопер, ГМ (2000). Ћелија: Молекуларни приступ. Синауер Ассоциатес.
2. Дорман, ЦЈ, и Деигхан, П. (2003). Регулација експресије гена помоћу хистонских протеина у бактеријама. Тренутно мишљење о генетици и развоју, 13 (2), 179-184.
3. Гуерреро, Р. и Берланга, М. (2007). Скривена страна прокариотске ћелије: поновно откривање микробног света. Интернатионал Мицробиологи, 10 (3), 157-168.
4. Мурат, Д., Бирне, М. и Комеили, А. (2010). Ћелијска биологија прокариотских органела. Перспективе Хладног Спринг Харбор-а у биологији, а000422.
5. Росселло-Мора, Р., и Аманн, Р. (2001). Концепт врсте за прокариоте. ФЕМС микробиолошка рецензија, 25 (1), 39-67.
6. Слесарев, АИ, Белова, ГИ, Козиавкин, СА, Лаке, ЈА (1998). Доказ за рано прокариотско порекло хистона Х2А и Х4 пре појаве еукариота. Истраживање нуклеинских киселина, 26 (2), 427-430.
7. Соуза, ВД (2012). Прокариотске ћелије: структурна организација цитоскелета и органела. Мемориас до Институто Освалдо Цруз, 107 (3), 283-293.