Prokaryotiske celleegenskaber, cellulær struktur, typer



den prokaryote celler de er enkle strukturer og uden en kerne afgrænset af en plasmamembran. De organismer, der er associeret med denne celletype, er enhjulede, selv om de kan grupperes og danne sekundære strukturer, såsom kæder.

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

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

For eksempel er strukturer blevet identificeret i prokaryoter, som potentielt kan betragtes som organeller. Ligeledes er proteiner, der er homologe til proteinerne af eukaryoter, der danner cytoskelet, blevet fundet.

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

Prokaryoter er opdelt aseksuelt ved binær fission. I denne proces replikerer organismen sit cirkulære DNA, forøger dets volumen og tildeler det endelig i to identiske celler.

Der er imidlertid mekanismer til udveksling af genetisk materiale, der frembringer variationer i bakterier, såsom transduktion, konjugation og transformation.

indeks

  • 1 Generelle egenskaber
  • 2 struktur
  • 3 Typer af prokaryoter
  • 4 Morfologi af prokaryoter
  • 5 reproduktion
    • 5.1 Ældre reproduktion
    • 5.2 Supplerende kilder til genetisk variabilitet
  • 6 Ernæring
    • 6.1 Nærende kategorier
    • 6.2 Photoautotrophs
    • 6.3 Fotoheterotrofer
    • 6.4 Chemoautotrophs
    • 6.5 Chemoheterotrophs
  • 7 Metabolisme
  • 8 Grundlæggende forskelle med eukaryote celler
    • 8.1 Størrelse og kompleksitet
    • 8,2 kerne
    • 8.3 Organisation af genetisk materiale
    • 8.4 Komprimering af genetisk materiale
    • 8,5 organeller
    • 8.6 Strukturen af ​​ribosomet
    • 8.7 Cellvæg
    • 8,8 celledeling
  • 9 Phylogeni og klassificering
  • 10 Nye perspektiver
    • 10.1 Organeller i prokaryoter
    • 10.2 Magnetosomer
    • 10.3 Fotosyntetiske membraner
    • 10,4 rum i planktomyceter
    • 10.5 Komponenter af cytoskelettet
  • 11 referencer

Generelle egenskaber

Prokaryoter er relativt enkle encellulære organismer. Den mest fremragende karakteristika, der identificerer denne gruppe er fraværet af en ægte kerne. De er opdelt i to store grene: sande bakterier eller eubakterier og archaebakterier.

De har koloniseret næsten alle tænkelige levesteder, fra vand og jord til indre af andre organismer, herunder mennesket. Specifikt beboer arkaebakterier områder med temperaturer, saltholdighed og ekstrem pH.

struktur

Den arkitektoniske ordning af en typisk prokaryote er uden tvivl den af Escherichia coli, en bakterie, der normalt lever i vores fordøjelsessystem.

Celleformen ligner en stok og har 1 um i diameter og 2 um i længden. Prokaryoter er omgivet af en cellevæg, der hovedsageligt består af polysaccharider og peptider.

Den bakterielle cellevæg er en meget vigtig egenskab, og ifølge strukturen tillader det at etablere et klassifikationssystem i to store grupper: gram positive og gram negative bakterier.

Efterfulgt af cellevæggen finder vi en membran (fælles element mellem prokaryoter og eukaryoter) af en lipid natur med en række proteselementer indlejret i det, som adskiller organismen fra dets miljø.

DNA er et cirkulært molekyle placeret i en specifik region, der ikke har nogen form for membran eller adskillelse med cytoplasma.

Cytoplasma udviser et groft udseende og besidder ca. 3000 ribosomer - strukturer, der er ansvarlige for proteinsyntese.

Typer af prokaryoter

Nuværende prokaryoter består af en lang række bakterier, der er opdelt i to hovedområder: Eubakterier og Archaebacteria. Ifølge beviserne synes disse grupper at have divergeret meget tidligt i evolutionen.

Archaebacteria er en gruppe af prokaryoter, der generelt lever i miljøer, hvis forhold er usædvanlige, såsom temperaturer eller høj saltholdighed. Disse forhold er sjældne i dag, men de kunne forekomme i det primitive land.

For eksempel lever termoacidophiler i områder, hvor temperaturen når op til 80 ° C og en pH på 2.

Eubacteria, derimod, lever i et fælles miljø for os mennesker. De kan bebo jord, vand eller leve i andre organismer - som bakterier, der er en del af vores fordøjelseskanalen.

Morfologi af prokaryoter

Bakterier kommer i en række meget varierede og heterogene morfologier. Blandt de mest almindelige har vi de afrundede, der hedder kokosnødder. Disse kan præsenteres individuelt, parvis, i en kæde, i tetrader osv..

Nogle bakterier er morfologisk ligner en stok og kaldes baciller. Ligesom kokosnødder kan findes i forskellige arrangementer med mere end et individ. Vi finder også spiralformede spirocheter og dem, der har en koma 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 ved identifikation af arten.

reproduktion

Ældre reproduktion

Reproduktion i bakterier er aseksuel og forekommer gennem binær fission. I denne proces bryder organismen bogstaveligt "i to", hvilket resulterer i kloner af den oprindelige organisme. For at dette skal ske, skal der være tilstrækkelige ressourcer til rådighed.

Processen er forholdsvis enkel: det cirkulære DNA replikerer og danner to identiske dobbelte helixer. Derefter optages det genetiske materiale i cellemembranen, og cellen begynder at vokse, indtil den fordobler dens størrelse. Cellen er endelig opdelt, og hver resulterende del besidder en cirkulær DNA-kopi.

I nogle bakterier kan cellerne dele materialet og vokse, men de deler slet ikke og danner en slags kæde.

Yderligere kilder til genetisk variabilitet

Der er genudvekslingshændelser mellem bakterier, som tillader genetisk overførsel og rekombination, en proces svarende til det, vi kender som seksuel reproduktion. Disse mekanismer er konjugation, transformation og transduktion.

Konjugationen består af udveksling af genetisk materiale mellem to bakterier ved hjælp af en struktur svarende til fine hår kaldet pili eller fimbrias, som fungerer som en "bro". I dette tilfælde skal der være en fysisk nærhed mellem begge personer.

Transformationen indebærer at tage fragmenter af nøgent DNA, der findes i miljøet. Det vil sige, at i denne proces er tilstedeværelsen af ​​en anden organisme ikke nødvendig.

Endelig har vi oversættelsen, hvor bakterien erhverver det genetiske materiale ved hjælp af en vektor, for eksempel bakteriofagerne (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 vil tage disse næringsstoffer ved absorption.

Generelt kan vi klassificere næringsstoffer som essentielle eller grundlæggende (vand, kulstofkilder og nitrogenforbindelser), sekundære (som nogle ioner: kalium og magnesium) og sporstoffer, der er nødvendige i mindste koncentrationer (jern, kobolt).

Nogle bakterier har brug for specifikke vækstfaktorer, såsom vitaminer og aminosyrer og stimulerende faktorer, der, men ikke væsentlige, hjælper i vækstprocessen.

Ernæringsmæssige krav til bakterier varierer meget, men deres viden er nødvendig for at kunne forberede effektive kulturmedier, som sikrer vækst af en organisme af interesse.

Ernæringsmæssige kategorier

Bakterier kan klassificeres efter den kilder, de bruger, enten organiske eller uorganiske og afhængig af den opnåede energikilde.

Ifølge carbonkilden har vi to grupper: autotrofer eller lithotrofer bruger kuldioxid og heterotrofer eller organotrofer, der kræver en organisk carbonkilde.

I tilfælde af energikilden har vi også to kategorier: de fototroffer, der bruger den energi, der kommer fra solen eller strålingsenergi og de kemikalier, der afhænger af de kemiske reaktions energi. Ved at kombinere begge kategorier kan bakterierne derfor klassificeres i:

photoautotrophic

Energi er opnået fra sollys - hvilket betyder, at de er fotosyntetisk aktive - og deres carbonkilde er carbondioxid.

photoheterotrophs

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

chemoautotrophs

Energi er opnået ved kemiske reaktioner, og de er i stand til at indarbejde kuldioxid.

chemoheterotrophs

De bruger den energi, der kommer fra de kemiske reaktioner, og kulbrintet kommer fra organiske forbindelser, som glucose - hvilket er det mest anvendte - lipider og også proteiner. Bemærk, at energikilden og carbonkilden er de samme i begge tilfælde, så differentieringen mellem de to er vanskelig.

Generelt er mikroorganismerne, der betragtes som patogener af mennesket, tilhørende denne sidste kategori og bruger som en carbonkilde aminosyrer og lipidforbindelser fra deres værter.

stofskifte

Metabolismen omfatter alle komplekse kemiske reaktioner katalyseret af enzymer, der forekommer inde i en organisme, så den kan udvikle sig og reproducere.

I bakterier adskiller disse reaktioner sig ikke fra de grundlæggende processer, der forekommer i mere komplekse organismer. Faktisk har vi flere ruter, der deles af begge linjer af organismer, som for eksempel glykolyse.

Metaboliske reaktioner inddeles i to hovedgrupper: biosyntetiske reaktioner eller anabolske og katabolske nedbrydning eller reaktioner, der forekommer at opnå produktion af kemisk energi.

De kataboliske reaktioner frigiver i en forskudt måde energi, som organismen bruger til biosyntese af dens komponenter.

Fundamentelle forskelle med eukaryote celler

Prokaryoter adskiller sig fra prokaryoter, hovedsagelig i cellens strukturelle kompleksitet og i de processer, der forekommer i den. Næste vil vi beskrive de vigtigste forskelle mellem begge linjer:

Størrelse og kompleksitet

Generelt er prokaryote celler mindre end eukaryoter. Den førstnævnte har diametre mellem 1 og 3 μm, i modsætning til en eukaryot celle, som kan nå 100 μm. Der er dog nogle undtagelser.

Mens prokaryoter er encellede og vi kan ikke observere med det blotte øje (medmindre vi observerer bakteriekolonier, for eksempel) skal vi ikke bruge funktion til at skelne mellem de to grupper. I eukaryoter finder vi også unicellulære organismer.

Faktisk er en af ​​de mest komplekse celler encellulære eukaryoter, da de skal indeholde alle de strukturer, der er nødvendige for deres udvikling, der er begrænset til en cellulær membran. Genrene paramecium og Trypanosoma de er bemærkelsesværdige eksempler på dette.

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

kerne

Ordet "prokaryote" refererer til fraværet af en kerne (pro = før karyon = kernen), mens eukaryoter har en ægte kerne (eu = sand). Således adskilles disse to grupper ved tilstedeværelsen af ​​denne vigtige organelle.

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

Eukaryoter har en defineret kerne og omgivet af en dobbeltmembran. Denne struktur er ekstremt kompleks og præsenterer forskellige områder inden for f.eks. Nucleolus. Derudover kan denne organelle interagere med cellens indre miljø takket være tilstedeværelsen af ​​nukleare porer.

Organisation af genetisk materiale

Prokaryoter indeholder fra 0,6 til 5 millioner basepar i deres DNA, og det anslås, at de kan kode op til 5000 forskellige proteiner. 

Prokaryotiske gener er organiseret i enheder kaldet operoner - ligesom den kendte operon lactose - mens eukaryotiske gener ikke gør.

I gener kan vi skelne mellem to "regioner": introner og exoner. Den første er dele, der ikke koder for proteinet, og som forstyrrer de kodende regioner, kaldet exoner. Introns er almindelige i eukaryote gener, men ikke i prokaryoter.

Prokaryoter er generelt haploide (en enkelt genetisk belastning) og eukaryoter har både haploid og polyploid belastninger. For eksempel er vi mennesker diploider. På samme måde har prokaryoter et kromosom og eukaryoter mere end en.

Komprimering af genetisk materiale

Indenfor cellekernen udviser eukaryoter en kompleks organisering af DNA. En lang DNA-streng (ca. to meter) kan spole på en sådan måde, at den kan integreres i kernen og under delingsprocesser kan visualiseres under mikroskopet i form af kromosomer.

Denne DNA komprimering proces involverer en række proteiner, som er i stand til at binde til strengen og udforme strukturer ligner perler på en snor, hvor tråden er repræsenteret ved DNA'et og konti perler. Disse proteiner kaldes histoner.

Histoner har været meget konserveret under hele evolutionen. Det vil sige, vores histoner er utroligt ligner en muss, eller at gå videre til et insekt. Strukturelt besidder de et stort antal positivt ladede aminosyrer, som interagerer med de negative ladninger af DNA.

I prokaryoter er visse proteiner, der er homologe til histoner, der generelt er kendt som histoner, blevet fundet-lignende. Disse proteiner bidrager til kontrollen af ​​genekspression, DNA rekombination og replikation og deltager i nukleoid organisation ligesom histoner i eukaryoter..

organeller

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

De vigtigste er mitokondrierne, er ansvarlige for cellulære respirationsprocesser og ATP generation, og planter står chloroplaster med tre membraner og den nødvendige maskineri til fotosyntesen.

Vi har også Golgi-komplekset, glat og groft endoplasmisk retikulum, vacuoler, lysosomer, peroxisomer, blandt andre.

Strukturen af ​​ribosomet

Ribosomer omfatter det nødvendige maskiner til syntese af proteiner, så de skal være til stede i både eukaryoter og prokaryoter. Selvom det er en uundværlig struktur for begge, adskiller den overvejende i størrelse.

Ribosomer består af to underenheder: en stor og en lille. Hver underenhed er identificeret ved hjælp af en parameter kaldet sedimentationskoefficient.

I prokaryoter er den store underenhed 50S, og den lille underenhed er 30S. Den komplette struktur kaldes 70S. Ribosomer er spredt i cytoplasma, hvor de udfører deres opgaver.

Eukaryoter har større ribosomer, den store underenhed er 60S, den lille er 40S, og hele ribosomet er angivet med en værdi af 80S. Disse er hovedsageligt forankret i det grove endoplasmatiske retikulum.

Cellevæg

Cellevæggen er et væsentligt element til at klare osmotisk stress og tjener som en beskyttende barriere mod mulig skade. Næsten alle prokaryoter og nogle grupper af eukaryoter har en cellevæg. Forskellen ligger i den kemiske natur af den.

Cellevæggen består af peptidoglycan, en polymer omfattende to strukturelle elementer: N-acetylglucosamin og N-acetylmuraminsyre, bundet sammen af ​​β-1,4 typen.

Indenfor eukaryotisk stamme er der også celler med vægge, hovedsageligt i nogle svampe og i alle planter. Den mest rigelige forbindelse i svampemuren er chitin, og i planter er den cellulose, en polymer dannet af mange glukoseenheder.

Cell division

Som diskuteret ovenfor divideres prokaryoter med binær fission. Eukaryoter har et komplekst divisionssystem, der involverer forskellige stadier af nuklear division, det være sig mitose eller meiosis.

Phylogeni og klassificering

Vi er generelt vant til at definere en art i overensstemmelse med det biologiske koncept, som E. Mayr foreslog i 1989: "grupper af kryds-tværs naturlige populationer, der reproduceres isoleret fra andre grupper".

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

Ifølge Rosselló-Mora et al. (2011), konceptet kant-phenetic passer godt sammen med denne slægt: "en monofyletisk gruppe og genomisk sammenhængende individuelle organismer, der udviser en høj grad af den samlede lighed i mange uafhængige egenskaber, og er diagnosticerbare af en diskriminerende fænotypisk egenskab".

Tidligere blev alle prokaryoter klassificeret i et enkelt "domæne", indtil Carl Woese foreslog, at livets træ skulle have tre hovedafdelinger. Efter denne klassifikation omfatter prokaryoter to domæner: Archaea og Bacteria.

Inden for bakterierne finder vi fem grupper: proteobakterier, klamydier, spirocheter cyanobakterier og gram-positive bakterier. Ligeledes har vi fire hovedgrupper af arkæa: Euryarchaeota, Grupo TACK, Asgard og Grupo DPANN.

Nye perspektiver

Et af de mest udbredte begreber i biologi er enkelheden af ​​den prokaryote cytosol. Nye tegn tyder imidlertid på, at der er en potentiel organisation i prokaryote celler. I øjeblikket forsøger forskere at nedbryde dogmen om fraværet af organeller, cytoskelet og andre karakteristika i denne encellede slægtning.

Organeller i prokaryoter

Forfatterne til denne roman og kontroversielle forslag sikrer, at der er niveauer af compartmentalisering i eukaryote celler, hovedsagelig i strukturer afgrænset af proteiner og ved intracellulære lipider.

Ifølge forsvarerne af denne ide er en organel et rum omgivet af en biologisk membran med en bestemt biokemisk funktion. Blandt disse "organeller", som er i overensstemmelse med denne definition, har vi lipidlegemer, carboxysomer, gasvakuolerne, blandt andre.

magnetosomes

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

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

Fotosyntetiske membraner

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

Disse systemer arbejder for at maksimere effektiviteten af ​​fotosyntese, hvilket øger antallet af fotosyntetiske proteiner til rådighed og maksimerer membranoverfladen, der udsættes for lys.

Værelser i planctomycetes

Det var ikke muligt at drage en plausibel evolutionær sti fra rummene ovenfor indtil disse meget komplekse organeller af eukaryot.

Men genren planctomycetes Det har en række rum indeni minder om organeller selv og kan foreslås som den bakterielle forfader eukaryoter. I genren Pirellula der er kromosomer og ribosomer omgivet af biologiske membraner.

Cytoskeletets komponenter

Tilsvarende er der visse proteiner, der historisk anses unik for eukaryoter, herunder væsentlige filamenter, der indgår i cytoskelettet: tubulin, actin og intermediære filamenter.

Nyere forskning har gjort identificere proteiner homologe til tubulin (FtsZ, BtuA, BtuB og andre), actin (MreB og Mb1) og intermediære filamenter (CFOA).

referencer

  1. Cooper, G. M. (2000). Cellen: Molekylær tilgang. Sinauer Associates.
  2. Dorman, C.J. & Deighan, P. (2003). Regulering af genekspression af histonlignende proteiner i bakterier. Nuværende mening i genetik og udvikling, 13(2), 179-184.
  3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Den skjulte side af den prokaryote celle: genopdagelse af den mikrobielle verden. International mikrobiologi, 10(3), 157-168.
  4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Cellebiologi af prokaryote organeller. Cold Spring Harbor perspektiver i biologi, a000422.
  5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Arten koncept for prokaryoter. FEMS mikrobiologi anmeldelser, 25(1), 39-67.
  6. Slesarev, A. I., Belova, G. I., Kozyavkin, S. A., & Lake, J. A. (1998). Beviser for en tidlig oprindelse histoner H2A prokaryote og H4 forud for fremkomsten af ​​eukaryoter. Nukleinsyrer forskning, 26(2), 427-430.
  7. Souza, W. D. (2012). Prokaryote celler: strukturel organisering af cytoskelet og organeller. Memories of the Oswaldo Cruz Institute, 107(3), 283-293.