PROKARYOTISK CELLE: EGENSKABER, CELLESTRUKTUR, TYPER - BIOLOGI - 2025

De prokaryote celler er enkle og uden en kerne afgrænset af en plasmamembranstruktur. De organismer, der er forbundet med denne celletype, er encellede, selvom de kan gruppere sig sammen og danne sekundære strukturer, såsom kæder.

Af de tre livsområder, der er foreslået af Carl Woese, svarer prokaryoter til bakterier og Archaea. Det resterende domæne, Eucarya, består af større, mere komplekse eukaryote celler med en afgrænset kerne.

Prokaryotisk celle. Kilde: Af Ali Zifan fra Wikimedia Commons

En af de vigtigste dikotomier i de biologiske videnskaber er forskellen mellem den eukaryote og den prokaryote celle. Historisk betragtes en prokaryot organisme som enkel, uden intern organisation, uden organeller og uden en cytoskelet. Imidlertid ødelægger nye beviser disse paradigmer.

For eksempel er strukturer identificeret i prokaryoter, der potentielt kan betragtes som organeller. Ligeledes er proteiner, der er homologe med proteinerne fra eukaryoter, der danner cytoskelettet, fundet.

Prokaryoter er meget forskellige med hensyn til deres ernæring. De kan bruge lyset fra solen og energien i kemiske bindinger som energikilde. De kan også bruge forskellige kilder til kulstof, såsom kuldioxid, glukose, aminosyrer, proteiner, blandt andre.

Prokaryoter deler aseksuelt ved binær fission. I denne proces gentager organismen sit cirkulære DNA, øger dens volumen og opdeles endelig i to identiske celler.

Der er imidlertid mekanismer til udveksling af genetisk materiale, der genererer variation i bakterier, såsom transduktion, konjugering og transformation.

Generelle karakteristika

Prokaryoter er relativt enkle-cellede organismer. Det mest slående træk, der identificerer denne gruppe, er fraværet af en ægte kerne. De er opdelt i to store grene: ægte bakterier eller eubakterier og archaebacteria.

De har koloniseret næsten alle tænkelige levesteder, fra vand og jord til det indre af andre organismer, inklusive mennesker. Specifikt beboer arkaebakterier områder med ekstreme temperaturer, saltholdighed og pH.

Struktur

Gennemsnitlig prokaryotisk celle.

Arkitektonisk plan for en typisk prokaryot er uden tvivl den fra Escherichia coli, en bakterie, der normalt beboer vores mave-tarmkanal.

Celleformen minder om en stang og er 1 um i diameter og 2 um i længden. Prokaryoter er omgivet af en cellevæg, der hovedsageligt består af polysaccharider og peptider.

Bakteriecellevæggen er en meget vigtig egenskab, og afhængigt af dens struktur tillader det at etablere et klassificeringssystem i to store grupper: grampositive og gramnegative bakterier.

Efterfulgt af cellevæggen finder vi en membran (et almindeligt element mellem prokaryoter og eukaryoter) af en lipid karakter med en række protetiske elementer indlejret i den, der adskiller organismen fra dens miljø.

DNA er et cirkulært molekyle beliggende i et specifikt område, der ikke har nogen form for membran eller adskillelse med cytoplasmaet.

Cytoplasmaet udviser et groft udseende og har cirka 3.000 ribosomer - strukturer, der er ansvarlige for proteinsyntese.

Typer af prokaryoter

Nuværende prokaryoter består af en lang række bakterier, der er opdelt i to store domæner: Eubacteria og Archaebacteria. Ifølge beviserne ser disse grupper ud til at have divergeret meget tidligt i udviklingen.

Archaebacteria er en gruppe af prokaryoter, der generelt lever i miljøer med usædvanlige forhold, såsom temperaturer eller høj saltholdighed. Disse forhold er sjældne i dag, men kan have været fremherskende i den tidlige jord.

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

Eubakterier lever på deres side i miljøer, der er fælles for os mennesker. De kan bebo jord, vand eller leve i andre organismer - som bakterier, der er en del af vores fordøjelseskanal.

Morfologi af prokaryoter

Bakterier findes i en række meget varierede og heterogene morfologier. Blandt de mest almindelige har vi de afrundede kaldet kokosnødder. Disse kan forekomme individuelt, i par, i en kæde, i tetrader osv.

Nogle bakterier ligner morfologisk en stang og kaldes baciller. Ligesom kokosnødder kan de findes i forskellige arrangementer med mere end én person. Vi finder også spiralformede spirocheter og dem med komma eller kornform kaldet vibrios.

Hver af disse beskrevne morfologier kan variere mellem forskellige arter - for eksempel kan en bacillus være mere langstrakt end en anden eller med mere afrundede kanter - og er nyttige til identifikation af arten.

Reproduktion

Asexual reproduktion

Reproduktion i bakterier er aseksuel og forekommer ved hjælp af binær fission. I denne proces opdeles organismen bogstaveligt talt i to, hvilket resulterer i kloner af den indledende organisme. Der skal være tilstrækkelige ressourcer til rådighed for at dette kan ske.

Processen er relativt enkel: cirkulært DNA replikeres og danner to identiske dobbelthelixer. Senere optager det genetiske materiale sig i cellemembranen, og cellen begynder at vokse, indtil den fordobles i størrelse. Cellen deles til sidst, og hver resulterende del har en cirkulær DNA-kopi.

I nogle bakterier kan cellerne opdele materialet og vokse, men de deler sig ikke helt og danner en slags kæde.

Yderligere kilder til genetisk variation

Der er genudvekslingsbegivenheder mellem bakterier, der tillader genetisk overførsel og rekombination, en proces, der ligner det, vi kender som seksuel reproduktion. Disse mekanismer er konjugering, transformation og transduktion.

Konjugering består af udveksling af genetisk materiale mellem to bakterier gennem en struktur, der ligner fine hår kaldet pili eller fimbriae, der fungerer som en "bro". I dette tilfælde skal der være en fysisk nærhed mellem begge individer.

Transformation involverer udtagning af nøgne DNA-fragmenter, der findes i miljøet. Det vil sige, i denne proces er tilstedeværelsen af ​​en anden organisme ikke nødvendig.

Endelig har vi oversættelse, hvor bakterien erhverver det genetiske materiale gennem en vektor, for eksempel bakteriofager (vira, der inficerer bakterier).

Ernæring

Bakterier har brug for stoffer, der garanterer deres overlevelse, og som giver dem den nødvendige energi til cellulære processer. Cellen optager disse næringsstoffer ved absorption.

På en generel måde kan vi klassificere næringsstoffer som essentielle eller basiske (vand, kulstofkilder og nitrogenholdige forbindelser), sekundære (såsom nogle ioner: kalium og magnesium) og sporstoffer, der er nødvendige i minimale koncentrationer (jern, kobolt).

Nogle bakterier har brug for specifikke vækstfaktorer, såsom vitaminer og aminosyrer og stimulerende faktorer, som, selvom de ikke er væsentlige, hjælper med vækstprocessen.

Ernæringskravene til bakterier varierer meget, men deres viden er nødvendig for at være i stand til at forberede effektive kulturmedier for at sikre væksten af ​​en organisme af interesse.

Ernæringskategorier

Bakterier kan klassificeres i henhold til den kulstofkilde, de bruger, enten organisk eller uorganisk og afhængig af energiproduktionskilden.

I henhold til carbonkilden har vi to grupper: autotrofer eller lithotrofer bruger kuldioxid og heterotrofer eller organotrofer, der kræver en organisk kulstofkilde.

Hvad angår energikilden, har vi også to kategorier: fototrofer, der bruger energi fra solen eller strålende energi og kemotrofer, der afhænger af energien i kemiske reaktioner. Ved at kombinere begge kategorier kan bakterier således klassificeres i:

Photoautotrophs

De får energi fra sollys - hvilket betyder, at de er fotosyntetisk aktive - og deres kulstofkilde er kuldioxid.

Photoheterotrophs

De er i stand til at bruge strålende energi til deres udvikling, men de er ikke i stand til at inkorporere kuldioxid. Derfor bruger de andre kilder til kulstof, såsom alkoholer, fedtsyrer, organiske syrer og kulhydrater.

Chemoautotrophs

De får energi fra kemiske reaktioner og er i stand til at inkorporere kuldioxid.

Chemoheterotrophs

De bruger energi fra kemiske reaktioner, og kulstof kommer fra organiske forbindelser, såsom glukose - som er den mest anvendte - lipider og også proteiner. Bemærk, at energikilden og kulstofkilden er den samme i begge tilfælde, hvorfor differentieringen mellem de to er vanskelig.

Generelt hører mikroorganismer, der betragtes som humane patogener, til denne sidste kategori og bruger aminosyrer og lipidforbindelser fra deres værter som en kulstofkilde.

Metabolisme

Metabolisme omfatter alle de komplekse, enzymkatalyserede kemiske reaktioner, der finder sted inde i en organisme, så den kan udvikle sig og reproducere.

Hos bakterier adskiller disse reaktioner ikke sig fra de basale processer, der forekommer i mere komplekse organismer. Faktisk har vi adskillige veje, der deles af begge organismer, som f.eks. Glykolyse.

Omsætningen af ​​metabolisme klassificeres i to store grupper: biosyntetiske eller anabolske reaktioner og nedbrydning eller katabolske reaktioner, der opstår for at opnå kemisk energi.

Katabolske reaktioner frigiver energi på en forskudt måde, som kroppen bruger til biosyntesen af ​​dets komponenter.

Grundlæggende forskelle fra eukaryote celler

Prokaryoter adskiller sig fra prokaryoter primært i cellens strukturelle kompleksitet og de processer, der forekommer i den. Nedenfor beskriver vi de vigtigste forskelle mellem de to linjer:

Størrelse og kompleksitet

Generelt er prokaryotiske celler mindre end eukaryote celler. Førstnævnte har diametre mellem 1 og 3 um, i modsætning til en eukaryotisk celle, der kan nå 100 um. Der er dog nogle undtagelser.

Selvom prokaryotiske organismer er encellede og vi ikke kan observere dem med det blotte øje (medmindre vi for eksempel observerer bakteriekolonier), bør vi ikke bruge karakteristik til at skelne mellem begge grupper. I eukaryoter finder vi også encellede organismer.

Faktisk er en af ​​de mest komplekse celler unicellulære eukaryoter, da de skal indeholde alle strukturer, der er nødvendige for deres udvikling indesluttet i en cellemembran. Slægterne Paramecium og Trypanosoma er bemærkelsesværdige eksempler på dette.

På den anden side er der meget komplekse prokaryoter, såsom cyanobakterier (en prokaryot gruppe, hvor udviklingen af ​​fotosyntetiske reaktioner fandt sted).

Core

Ordet "prokaryote" henviser til fraværet af en kerne (pro = før; karyon = kerne), mens eukaryoter har en ægte kerne (eu = sand). Disse to grupper adskilles således ved tilstedeværelsen af ​​denne vigtige organelle.

I prokaryoter distribueres det genetiske materiale i en bestemt region i cellen kaldet nukleoid - og det er ikke en ægte kerne, fordi det ikke er afgrænset af en lipidmembran.

Eukaryoter har en defineret kerne og omgivet af en dobbelt membran. Denne struktur er ekstremt kompleks og præsenterer forskellige områder inde, såsom nucleolus. Derudover kan denne organelle interagere med det indre miljø i cellen takket være tilstedeværelsen af ​​nukleare porer.

Organisering af genetisk materiale

Prokaryoter indeholder fra 0,6 til 5 millioner basepar i deres DNA, og det estimeres, at de kan kode for op til 5.000 forskellige proteiner.

Prokaryotiske gener organiserer sig i enheder, der kaldes operoner - som den velkendte laktoseoperon - mens eukaryote gener ikke gør det.

I gener kan vi skelne mellem to "regioner": introner og eksoner. Førstnævnte er dele, der ikke koder for proteinet, og som afbryder de kodende regioner, kaldet eksoner. Introner er almindelige i eukaryote gener, men ikke i prokaryoter.

Prokaryoter er generelt haploide (en enkelt genetisk belastning), og eukaryoter har både haploide og polyploide belastninger. For eksempel er vi mennesker diploide. På lignende måde har prokaryoter et kromosom og eukaryoter mere end én.

Komprimering af genetisk materiale

Inden i cellekernen udviser eukaryoter en kompleks DNA-organisation. En lang DNA-kæde (cirka to meter lang) er i stand til at sno sig på en sådan måde, at den kan integreres i kernen, og under opdelingsprocesserne kan den visualiseres under mikroskopet i form af kromosomer.

Denne DNA-komprimeringsproces involverer en række proteiner, der er i stand til at binde til strengen og danne strukturer, der ligner en perlekæde, hvor strengen er repræsenteret af DNA og perlerne af perler. Disse proteiner kaldes histoner.

Histoner er blevet vidt konserveret gennem hele evolutionen. Med andre ord, vores histoner ligner utroligt dem med en mus eller for at gå videre til et insekt. Strukturelt set har de et stort antal positivt ladede aminosyrer, der interagerer med de negative ladninger af DNA.

I prokaryoter er der fundet visse proteiner, der er homologe med histoner, som generelt er kendt som histonelignende. Disse proteiner bidrager til kontrollen af ​​genekspression, rekombination og DNA-replikation og deltager ligesom histoner i eukaryoter i organiseringen af ​​nukleoiden.

organeller

I eukaryote celler kan en række meget komplekse subcellulære rum identificeres, der udfører specifikke funktioner.

De mest relevante er mitokondrier, der er ansvarlige for processerne med cellulær respiration og generering af ATP, og i planter skiller klorplaster ud med deres tre-membransystem og med det nødvendige maskiner til fotosyntesen.

Ligeledes har vi Golgi-komplekset, glat og ru endoplasmatisk retikulum, vakuoler, lysosomer, peroxisomer, blandt andre.

Ribosomstruktur

ribosomer

Ribosomer omfatter det nødvendige maskiner til proteinsyntese, så de skal være til stede i både eukaryoter og prokaryoter. Selv om det er en uundværlig struktur for begge, adskiller den sig overvejende i størrelse.

Ribosomer består af to underenheder: en stor og en lille. Hver underenhed identificeres med en parameter kaldet sedimentationskoefficienten.

I prokaryoter er den store underenhed 50S, og den lille underenhed er 30S. Hele strukturen kaldes 70S. Ribosomer er spredt over hele cytoplasmaet, hvor de udfører deres opgaver.

Eukaryoter har større ribosomer, den store underenhed er 60S, den lille underenhed er 40S, og hele ribosomet betegnes som 80S. Disse er hovedsagelig forankret i det ru endoplasmatiske retikulum.

Cellular væg

Cellevæggen er et essentielt element for at møde osmotisk stress og fungerer som en beskyttende barriere mod mulig skade. Næsten alle prokaryoter og nogle grupper af eukaryoter har en cellevæg. Forskellen ligger i den kemiske natur.

Bakterievæggen består af peptidoglycan, en polymer, der består af to strukturelle elementer: N-acetyl-glucosamin og N-acetylmuraminsyre, bundet sammen med bindinger af ß-1,4-type.

Inden for den eukaryote afstamning er der også væggceller, hovedsageligt i nogle svampe og i alle planter. Den mest rigelige forbindelse i svampens væg er chitin, og i planter er det cellulose, en polymer, der består af mange glukoseenheder.

Cellular division

Som omtalt tidligere deler prokaryoter op ved binær fission. Eukaryoter har et komplekst opdelingssystem, der involverer forskellige faser i nuklear opdeling, enten mitose eller meiose.

Filogeni og klassificering

Generelt er vi vant til at definere en art i henhold til det biologiske koncept, der blev foreslået af E. Mayr i 1989: "grupper af opdræt af naturlige populationer, der er reproduktiv isoleret fra andre grupper".

Det er umuligt at anvende dette koncept til aseksuelle arter, som det er tilfældet med prokaryoter. Derfor skal der være en anden måde at nærme sig begrebet arter for at klassificere disse organismer.

Ifølge Rosselló-Mora et al. (2011) passer phylo-fenetisk koncept godt sammen med denne afstamning: ”et monofyletisk og genomisk sammenhængende sæt af individuelle organismer, der viser en høj grad af generel lighed i mange uafhængige egenskaber, og som kan diagnosticeres ved en kritisk fænotypisk egenskab”.

Tidligere blev alle prokaryoter klassificeret i et enkelt "domæne", indtil Carl Woese antydede, at livets træ skulle have tre hovedgrene. Efter denne klassificering inkluderer prokaryoter to domæner: Archaea og bakterier.

Inden for bakterierne finder vi fem grupper: proteobakterier, klamydia, cyanobakterielle spirocheter og grampositive bakterier. Tilsvarende har vi fire hovedgrupper af archaea: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard og DPANN Group.

Ny indsigt

Et af de mest udbredte begreber inden for biologi er enkelheden i den prokaryote cytosol. Imidlertid tyder nyt bevis på, at der er en potentiel organisation i prokaryote celler. I øjeblikket forsøger forskere at nedbryde dogmen om fraværet af organeller, cytoskelet og andre egenskaber i denne encellede afstamning.

Organeller i prokaryoter

Forfatterne af dette meget nye og kontroversielle forslag forsikrer, at der er niveauer af kompartimering i eukaryote celler, hovedsageligt i strukturer, der er afgrænset af proteiner og intracellulære lipider.

Ifølge forsvarerne af denne idé er en organelle et rum omgivet af en biologisk membran med en bestemt biokemisk funktion. Blandt disse "organeller", der passer til denne definition, har vi lipidlegemer, carboxy-somes, gasvakuoler, blandt andre.

Magnetosomes

Et af de mest fascinerende rum med bakterier er magnetosomer. Disse strukturer er relateret til evnen hos visse bakterier - såsom Magnetospirillum eller Magnetococcus - til at bruge magnetiske felter til orientering.

Strukturelt er de en lille krop på 50 nanometer omgivet af en lipidmembran, hvis indre er sammensat af magnetiske mineraler.

Fotosyntetiske membraner

Desuden har nogle prokaryoter "fotosyntetiske membraner", som er de mest studerede rum i disse organismer.

Disse systemer arbejder for at maksimere effektiviteten af ​​fotosyntesen, øge antallet af tilgængeligt fotosyntetisk protein og maksimere den membranøse overflade, der udsættes for lys.

Skabe i

Det har ikke været muligt at spore en plausibel evolutionær sti fra disse tidligere nævnte rum til de meget komplekse organeller af eukaryoter.

Slægten Planctomycetes har imidlertid en række rum indvendigt, der minder om organellerne selv og kan foreslås som bakteriefederen til eukaryoter. I slægten Pirellula er der kromosomer og ribosomer omgivet af biologiske membraner.

Komponenter i cytoskelettet

Tilsvarende er der visse proteiner, der historisk blev betragtet som unikke for eukaryoter, herunder de essentielle filamenter, der er en del af cytoskelettet: tubulin, actin og mellemliggende filamenter.

De seneste undersøgelser har lykkedes at identificere proteiner, der er homologe med tubulin (FtsZ, BtuA, BtuB og andre), til at handle (MreB og Mb1) og til mellemliggende filamenter (CfoA).

Referencer

1. Cooper, GM (2000). Cellen: Molekylær tilgang. Sinauer Associates.
2. Dorman, CJ, & Deighan, P. (2003). Regulering af genekspression med histonlignende proteiner i bakterier. Aktuel udtalelse inden for genetik og udvikling, 13 (2), 179-184.
3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Den skjulte side af den prokaryote celle: genopdager den mikrobielle verden. International mikrobiologi, 10 (3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Cellebiologi af prokaryote organeller. Cold Spring Harbour-perspektiver i biologi, a000422.
5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Artskonceptet for prokaryoter. FEMS mikrobiologiske anmeldelser, 25 (1), 39-67.
6. Slesarev, AI, Belova, GI, Kozyavkin, SA, & Lake, JA (1998). Bevis for en tidlig prokaryot oprindelse af histoner H2A og H4 før fremkomsten af ​​eukaryoter. Nucleinsyreforskning, 26 (2), 427-430.
7. Souza, WD (2012). Prokaryotiske celler: strukturel organisering af cytoskelettet og organeller. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 107 (3), 283-293.