Характеристики на прокариотните клетки, клетъчна структура, типове

на прокариотни клетки те са прости структури и без ядро, ограничено от плазмена мембрана. Организмите, свързани с този клетъчен тип, са едноклетъчни, въпреки че могат да бъдат групирани и да образуват вторични структури, като например вериги.

От трите области на живот, предложени от Карл Уаз, прокариотите съответстват на бактерии и археи. Останалият домейн, Eucarya, се състои от еукариотни клетки, по-големи, по-сложни и с ограничено ядро.

Една от най-важните дихотомии в биологичните науки е разликата между еукариотната клетка и прокариотната клетка. Исторически, прокариотният организъм се счита за прост, без вътрешна организация, без органели и без цитоскелет. Но нови доказателства унищожават тези парадигми.

Например, структури са идентифицирани в прокариоти, които потенциално могат да бъдат разглеждани като органели. По същия начин са открити протеини, хомоложни на протеините на еукариотите, които образуват цитоскелета.

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

Прокариотите се разделят асексиално от бинарно делене. В този процес организмът възпроизвежда кръговата си ДНК, увеличава обема и накрая го разделя на две еднакви клетки.

Въпреки това, съществуват механизми за обмен на генетичен материал, които генерират променливост в бактериите, като трансдукция, конюгация и трансформация.

индекс

• 1 Общи характеристики
• 2 Структура
• 3 Видове прокариоти
• 4 Морфология на прокариотите
• 5 Възпроизвеждане
  • 5.1 Асексуално размножаване
  • 5.2 Допълнителни източници на генетична вариабилност
• 6 Хранене
  • 6.1 Хранителни категории
  • 6.2 Фотоавтотрофи
  • 6.3 Фотохетеротрофи
  • 6.4 Хемоавтотрофи
  • 6.5 Хемогетеротрофи
• 7 Метаболизъм
• 8 Основни различия с еукариотните клетки
  • 8.1 Размер и сложност
  • 8.2 Ядро
  • 8.3 Организиране на генетичен материал
  • 8.4 Уплътняване на генетичен материал
  • 8.5 Органели
  • 8.6 Структура на рибозомата
  • 8.7 Клетъчна стена
  • 8.8 Деление на клетките
• 9 Филогенеза и класификация
• 10 Нови перспективи
  • 10.1 Органели в прокариоти
  • 10.2 Магнитосоми
  • 10.3 Фотосинтетични мембрани
  • 10.4 Отделения в Planctomycetes
  • 10.5 Компоненти на цитоскелета
• 11 Препратки

Общи характеристики

Прокариотите са относително прости едноклетъчни организми. Най-забележителната характеристика, която идентифицира тази група, е липсата на истинско ядро. Те се разделят на две големи клони: истински бактерии или еубактерии и архебактерии.

Те са колонизирали почти всички възможни местообитания, от вода и почва до вътрешността на други организми, включително човешкото същество. Специално архебактериите обитават райони с температури, соленост и екстремни рН.

структура

Архитектурната схема на типичен прокариот е, без съмнение, тази на Escherichia coli, бактерия, която нормално живее в нашия стомашно-чревен тракт.

Клетъчната форма прилича на тръстика и има 1 um в диаметър и 2 um дължина. Прокариотите са заобиколени от клетъчна стена, съставена главно от полизахариди и пептиди.

Бактериалната клетъчна стена е много важна характеристика и, според структурата, позволява да се установи система за класификация в две големи групи: грам положителни и грам отрицателни бактерии..

Следвана от клетъчната стена, намираме мембрана (общ елемент между прокариотите и еукариотите) от липидна природа с вградени в нея протетични елементи, които отделят организма от околната среда.

ДНК е кръгова молекула, разположена в специфична област, която няма никакъв тип мембрана или сепариране с цитоплазмата..

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

Видове прокариоти

Текущите прокариоти са съставени от голямо разнообразие от бактерии, които са разделени на две основни области: Eubacteria и Archaebacteria. Според доказателствата, тези групи изглежда са се различавали много рано в еволюцията.

Архебактериите са група прокариоти, които обикновено живеят в среда, чиито условия са необичайни, като температури или висока соленост. В днешно време тези условия са редки, но могат да бъдат преобладаващи в примитивната земя.

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

От друга страна, еубактериите живеят в обща среда за нас, хората. Те могат да обитават почвата, водата или да живеят в други организми - като бактерии, които са част от храносмилателния ни тракт.

Морфология на прокариотите

Бактериите идват в серия от много разнообразни и разнородни морфологии. Сред най-често срещаните са заоблените, които се наричат ​​кокосови орехи. Те могат да бъдат представени поотделно, по двойки, във верига, в тетради и др..

Някои бактерии са морфологично подобни на тръстика и се наричат ​​бацили. Както кокосовите орехи могат да бъдат намерени в различни споразумения с повече от един индивид. Също така откриваме спираловидни спирохети и онези, които имат кома или форма на зърно, наречена вибрации.

Всяка от тези описани морфологии може да варира между различните видове - например, един бацил може да бъде по-продълговати от друг или с по-заоблени ръбове - и са полезни при идентифициране на вида.

репродукция

Асексуално размножаване

Размножаването в бактериите е асексуално и се осъществява чрез бинарно делене. В този процес организмът буквално "се разпада на две", което води до клонинги на първоначалния организъм. За да стане това, трябва да има достатъчно ресурси.

Процесът е сравнително прост: кръговата ДНК репликира, образувайки две идентични двойни спирали. Впоследствие генетичният материал се настанява в клетъчната мембрана и клетката започва да расте, докато удвои размера си. Накрая клетката е разделена и всяка получена част притежава кръгова ДНК копия.

В някои бактерии клетките могат да разделят материала и да растат, но не се разделят изобщо и образуват вид верига.

Допълнителни източници на генетична вариабилност

Съществуват събития за обмен на гени между бактерии, които позволяват генетичен трансфер и рекомбинация, процес, подобен на този, който познаваме като сексуално размножаване. Тези механизми са конюгация, трансформация и трансдукция.

Конюгацията се състои от обмен на генетичен материал между две бактерии посредством структура, подобна на фини косми, наречени пили или фимбрии, която действа като "мост". В този случай трябва да има физическа близост между двата индивида.

Трансформацията включва вземане на фрагменти от гола ДНК, открити в околната среда. Това означава, че в този процес не е необходимо наличието на втори организъм.

Накрая имаме превод, където бактерията придобива генетичния материал с помощта на вектор, например бактериофаги (вируси, които заразяват бактерии)..

хранене

Бактериите се нуждаят от вещества, които гарантират тяхното оцеляване и които им дават необходимата енергия за клетъчните процеси. Клетката ще приема тези хранителни вещества чрез абсорбция.

Като цяло 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 знанията им са необходими, за да могат да се приготвят ефективни хранителни среди, които осигуряват растежа на интересуващия ни организъм..

Хранителни категории

Бактериите могат да бъдат класифицирани според източника на въглерод, който те използват, или органични, или неорганични, и в зависимост от източника на енергия, която се получава.

Според източника на въглерод имаме две групи: автотрофи или литотрофи използват въглероден диоксид и хетеротрофи или органотрофи, които изискват източник на органичен въглерод..

В случая с енергийния източник имаме и две категории: фототрофите, които използват енергията, идваща от слънцето или лъчистата енергия и химиотрофите, които зависят от енергията на химичните реакции. Така, чрез комбиниране на двете категории, бактериите могат да бъдат класифицирани в:

photoautotrophic

Енергията се получава от слънчевата светлина - което означава, че те са фотосинтетично активни - и техният въглероден източник е въглероден диоксид.

photoheterotrophs

Те са в състояние да използват лъчиста енергия за своето развитие, но не могат да включат въглероден диоксид. Ето защо те използват други източници на въглерод, като алкохоли, мастни киселини, органични киселини и въглехидрати.

chemoautotrophs

Енергията се получава от химични реакции и те могат да включват въглероден диоксид.

chemoheterotrophs

Те използват енергията, получена от химичните реакции, а въглеродът идва от органични съединения, като глюкоза - която е най-използваната - липиди и също протеини. Имайте предвид, че източникът на енергия и източника на въглерод са едни и същи и в двата случая, така че разликата между двете е трудна.

Като цяло, микроорганизмите, които се считат за патогени на човека, принадлежат към тази последна категория и използват като въглероден източник аминокиселините и липидните съединения на техните гостоприемници.

метаболизъм

Метаболизмът включва всички сложни химични реакции, катализирани от ензими, които се появяват в организма, така че да могат да се развиват и възпроизвеждат.

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

Реакциите на метаболизма се класифицират в две основни групи: биосинтеза или анаболни реакции, и деградация или катаболични реакции, които настъпват за постигане на химическа енергия..

Катаболните реакции освобождават енергията, която организмът използва за биосинтеза на компонентите.

Фундаментални различия с еукариотните клетки

Прокариотите се различават от прокариотите главно по структурната сложност на клетката и в процесите, които се случват в нея. След това ще опишем основните разлики между двете линии:

Размер и сложност

Обикновено, прокариотните клетки са по-малки от еукариотите. Първите имат диаметри между 1 и 3 μm, за разлика от еукариотната клетка, която може да достигне 100 μm. Има обаче някои изключения.

Въпреки че прокариотните организми са едноклетъчни и ние не можем да ги наблюдаваме с просто око (освен ако не наблюдаваме бактериални колонии, например), не трябва да използваме характеристика, за да разграничим двете групи. При еукариотите се срещат и едноклетъчни организми.

Всъщност една от най-сложните клетки е едноклетъчните еукариоти, тъй като те трябва да съдържат всички структури, необходими за тяхното развитие, ограничени до клетъчна мембрана. Жанрите парамециум и Trypanosoma те са забележителни примери за това.

От друга страна, има много сложни прокариоти, като цианобактерии (прокариотна група, където се развива еволюцията на фотосинтетичните реакции)..

сърцевина

Думата "прокариот" се отнася до липсата на ядро ​​(професионалист = преди; karyon = ядро), докато еукариотите имат истинско ядро ​​(ес = вярно). Така тези две групи са разделени от присъствието на тази важна органела.

В прокариотите генетичният материал се разпределя в специфичен район на клетката, наречен нуклеоид - и не е истинско ядро, защото не е ограничено от липидна мембрана..

Еукариотите имат определено ядро ​​и са заобиколени от двойна мембрана. Тази структура е изключително сложна, като представя различни области вътре, като например ядрото. Освен това, 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 тяхната ДНК и се оценява, че те могат да кодират до 5000 различни протеини. 

Прокариотните гени са организирани в обекти, наречени оперони - като известния оперон лактоза - докато еукариотните гени не.

В гените можем да разграничим две "области": интрони и екзони. Първите са части, които не кодират протеина и които нарушават кодиращите региони, наречени екзони. Интроните са често срещани при еукариотните гени, но не и в прокариотите.

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

Уплътняване на генетичен материал

В клетъчното ядро ​​еукариотите показват сложна организация на ДНК. Дългата нишка ДНК (приблизително два метра) може да се навие по такъв начин, че да може да се интегрира в ядрото и по време на процесите на разделяне да може да се визуализира под микроскоп под формата на хромозоми..

Този процес на уплътняване на ДНК включва серия от протеини, които са способни да се свържат с веригата и да образуват структури, които приличат на перлена огърлица, където нишката е представена от ДНК и перли от перли. Тези протеини се наричат ​​хистони.

Хистоните са широко запазени през еволюцията. Това означава, че нашите хистони са изключително сходни с тези на мишка, или да отидат по-далеч от това на насекомо. В структурно отношение те притежават голям брой положително заредени аминокиселини, които взаимодействат с отрицателните заряди на ДНК.

В прокариоти са открити някои протеини, хомоложни на хистони, които са общоизвестни като хистони-като. Тези протеини допринасят за контрола на генната експресия, рекомбинацията и репликацията на ДНК и, като хистони в еукариотите, участват в нуклеоидна организация.

органели

В еукариотните клетки могат да бъдат идентифицирани редица много сложни субклетъчни отделения, които изпълняват специфични функции.

Най-важни са митохондриите, отговорни за процесите на клетъчно дишане и генериране на АТФ, а в растенията се открояват хлоропластите с тяхната тримембранна система и с необходимата техника за фотосинтеза..

Също така, имаме комплекс Голджи, гладък и груб ендоплазмен ретикулум, вакуоли, лизозоми, пероксизоми и др..

Структура на рибозомата

Рибозомите включват 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: една голяма и една малка. Всяка субединица се идентифицира чрез параметър, наречен коефициент на утаяване.

В прокариотите, голямата субединица е 50S и малката субединица е 30S. Пълната структура се нарича 70S. Рибозомите са разпръснати в цитоплазмата, където изпълняват задачите си.

Еукариотите имат по-големи рибозоми, голямата субединица е 60S, малката е 40S и цялата рибозома е означена със стойността 80S. Те са разположени предимно закотвени в грубия ендоплазмен ретикулум.

Клетъчна стена

Клетъчната стена е съществен елемент за справяне с осмотичния стрес и служи като защитна бариера срещу възможни увреждания. Почти всички прокариоти и някои групи еукариоти имат клетъчна стена. Разликата се състои в химическата природа на продукта.

Бактериалната стена е съставена 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 еукариотното потекло има и клетки със стени, главно в някои гъби и във всички растения. Най-разпространеното съединение в стената на гъбите е хитин, а в растенията е целулоза, полимер, образуван от много глюкозни единици.

Клетъчно делене

Както е обсъдено по-горе, прокариотите се разделят чрез бинарно делене. Еукариотите имат сложна система на разделяне, която включва различни етапи на ядрено разделяне, било то митоза или мейоза.

Филогенеза и класификация

Като цяло сме свикнали да дефинираме един вид в съответствие с биологичната концепция, предложена от E. Mayr през 1989 г .: „групи от кръстосани естествени популации, които са репродуктивно изолирани от други групи“.

Прилагането на тази концепция към асексуалните видове, какъвто е случаят с прокариотите, е невъзможно. Следователно трябва да има друг начин да се подходи към понятието за видове, за да се класифицират тези организми.

Според Росело-Мора et al. (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 дискриминационно фенотипно свойство".

По-рано всички прокариоти бяха класифицирани в един "домейн", докато Карл Уауз предложил дървото на живота да има три основни клона. Следвайки тази класификация, прокариотите обхващат две области: Archaea и Bacteria.

В рамките на бактериите откриваме пет групи: протеобактерии, хламидии, спирохети цианобактерии и грам-положителни бактерии. Също така имаме четири основни групи археи: Euryarchaeota, Grupo TACK, Asgard и Grupo DPANN.

Нови перспективи

Една от най-разпространените концепции в биологията е простотата на прокариотния цитозол. Нови доказателства сочат, че съществува потенциална организация в прокариотните клетки. В момента учените се опитват да разрушат догмата за липсата на органели, цитоскелет и други характеристики в този едноклетъчен ред.

Органелите в прокариотите

Авторите на това ново и противоречиво предложение гарантират, че има нива на компартментализация в еукариотните клетки, главно в структури, разделени от протеини и от вътреклетъчни липиди..

Според защитниците на тази идея, органела е отделение, заобиколено от биологична мембрана с определена биохимична функция. Сред тези "органели", които отговарят на това определение, имаме липидните тела, карбоксисомите, газовите вакуоли, между другото.

magnetosomes

Едно от най-очарователните отделения на бактериите са магнитосомите. Тези структури са свързани с капацитета на определени бактерии Magnetospirillum или Magnetococcus - използване на магнитни полета за ориентиране.

Структурно те са малко тяло от 50 нанометра, заобиколено от липидна мембрана, чийто интериор е съставен от магнитни минерали.

Фотосинтетични мембрани

В допълнение, някои прокариоти имат "фотосинтетични мембрани", които са най-изследваните компартменти в тези организми..

Тези системи работят за максимална ефективност на фотосинтезата, увеличаване на наличния фотосинтетичен протеин и увеличаване на повърхността на мембраната, която е изложена на светлина.

Отделения в planctomycetes

Не е било възможно да се проследи правдоподобния еволюционен път от споменатите по-горе отделения до изключително сложните органели на еукариотите.

Въпреки това, жанр planctomycetes В нея има серия от отделения, които напомнят самите органели и могат да бъдат предложени като бактериален предшественик на еукариотите. В жанра Pirellula има хромозоми и рибозоми, заобиколени от биологични мембрани.

Компоненти на цитоскелета

По същия начин, съществуват някои протеини, които исторически са били считани за уникални за еукариотите, включително основните филаменти, които са част от цитоскелета: тубулин, актин и междинни нишки.

Последните изследвания са успели да идентифицират протеини, хомоложни на тубулин (FtsZ, BtuA, BtuB и други), на актини (MreB и Mb1) и на междинни филаменти (CfoA).

препратки

1. Купър, Г. М. (2000). Клетката: Молекулен подход. Sinauer Associates.
2. Dorman, C.J., & Deighan, P. (2003). Регулиране на генната експресия от хистон-подобни протеини в бактериите. Актуално становище в областта на генетиката и развитието, 13(2), 179-184.
3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Скритата страна на прокариотната клетка: преоткриване на микробния свят. Международна микробиология, 10(3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Клетъчна биология на прокариотни органели. Перспективите на Cold Spring Harbor в биологията, a000422.
5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Видова концепция за прокариоти. Микробиологични прегледи на FEMS, 25(1), 39-67.
6. Slesarev, A.I., Belova, G.I., Kozyavkin, S.A., & Lake, J.A. (1998). Доказателства за ранен прокариотен произход на хистони Н2А и Н4 преди появата на еукариоти. Изследване на нуклеинови киселини, 26(2), 427-430.
7. Souza, W. D. (2012). Прокариотни клетки: структурна организация на цитоскелета и органелите. Спомени за института Освалдо Крус, 107(3), 283-293.