Prokarüootsete rakkude omadused, raku struktuur, tüübid



The prokarüootsed rakud need on lihtsad struktuurid ja ilma membraani piiritlemata tuumata. Selle rakutüübiga seotud organismid on üheahelalised, kuigi neid võib rühmitada ja moodustada sekundaarseid struktuure, näiteks ahelaid.

Carl Woese pakutud kolmest eluvaldkonnast vastavad prokarüoodid bakteritele ja arhiividele. Ülejäänud domeen, Eucarya, koosneb eukarüootsetest rakkudest, mis on suuremad, keerukamad ja piiritletud tuumaga.

Bioloogiateaduste üks tähtsamaid dikotoomiaid on eukarüootsete rakkude ja prokarüootsete rakkude eristamine. Ajalooliselt peetakse prokarüootset organismi lihtsaks, ilma siseorganisatsioonita, ilma organellita ja tsütoskeletita. Kuid uued tõendid hävitavad need paradigmid.

Näiteks on prokarüootides identifitseeritud struktuurid, mida võib pidada organellideks. Samuti on leitud tsütoskeleti moodustavate eukarüootide valkudega homoloogsed valgud.

Prokarüootid on oma toitumises väga erinevad. Nad võivad kasutada päikest ja keemilistes sidemetes sisalduvat energiat kui energiaallikat. Nad võivad kasutada ka erinevaid süsinikuallikaid, nagu süsinikdioksiid, glükoos, aminohapped, valgud..

Prokarüootid jagatakse aseksuaalselt binaarse lõhustumise teel. Selles protsessis kordab organism oma ümmargust DNA-d, suurendab selle mahtu ja jagab selle lõpuks kaheks identseks rakuks.

Siiski on olemas geneetilise materjali vahetamise mehhanismid, mis tekitavad bakterites varieeruvust, nagu transduktsioon, konjugatsioon ja transformatsioon.

Indeks

  • 1 Üldised omadused
  • 2 Struktuur
  • 3 Prokarüootide tüübid
  • 4 Prokarüootide morfoloogia
  • 5 Paljundamine
    • 5.1 Axxual reproduktsioon
    • 5.2 Geneetilise varieeruvuse täiendavad allikad
  • 6 Toitumine
    • 6.1 Toitev kategooriad
    • 6.2 Fotoautotroofid
    • 6.3 Fotoheterotroofid
    • 6.4 Kemoautotroofid
    • 6.5 Chemoheterotroofid
  • 7 Ainevahetus
  • 8 Põhilised erinevused eukarüootsete rakkudega
    • 8.1 Suurus ja keerukus
    • 8.2 Tuum
    • 8.3 Geneetilise materjali korraldamine
    • 8.4 Geneetilise materjali tihendamine
    • 8.5 Orgaanid
    • 8.6 Ribosoomi struktuur
    • 8.7 Raku sein
    • 8.8 Rakkude jagamine
  • 9 Filogeneetika ja klassifikatsioon
  • 10 Uued perspektiivid
    • 10.1 Organisaadid prokarüootides
    • 10.2 Magnetosoomid
    • 10.3 Fotosünteetilised membraanid
    • 10.4 Planctomycetes'e sektsioonid
    • 10.5 Tsütoskeleti komponendid
  • 11 Viited

Üldised omadused

Prokarüootid on suhteliselt lihtsad üheahelalised organismid. Kõige silmapaistvam tunnus, mis identifitseerib selle rühma, on tõelise tuuma puudumine. Need on jagatud kaheks suureks haruks: tõelised bakterid või eubakterid ja arheebakterid.

Nad on koloniseerinud peaaegu kõiki mõeldavaid elupaiku, alates veest ja pinnasest kuni teiste organismide sisemuseni, kaasa arvatud inimene. Konkreetsemalt elavad arheebakterid temperatuuri, soolsuse ja äärmise pH-ga piirkondades.

Struktuur

Tüüpilise prokarüootide arhitektuuriskeem on kahtlemata see, et Escherichia coli, bakter, mis elab tavaliselt meie seedetraktis.

Raku kuju meenutab roo ja on läbimõõduga 1 um ja pikkusega 2 um. Prokarüootid on ümbritsetud rakuseinaga, mis koosneb peamiselt polüsahhariididest ja peptiididest.

Bakterirakkude sein on väga oluline omadus ja võimaldab struktuuri järgi luua klassifikatsioonisüsteemi kahes suures rühmas: grampositiivsed ja gramnegatiivsed bakterid.

Järgneb rakusein, leiame membraani (ühine element prokarüootide ja eukarüootide vahel), millel on lipiidsed looduslikud proteesid, mis eraldavad organismi keskkonnast..

DNA on ringikujuline molekul, mis asub spetsiifilises piirkonnas, millel ei ole mistahes membraani ega tsütoplasma eraldamist..

Tsütoplasmas esineb karm välimus ja omab umbes 3000 ribosoomi - valkude sünteesi eest vastutavat struktuuri.

Prokarüootide tüübid

Praegused prokarüootid koosnevad paljudest erinevatest bakteritest, mis on jagatud kaheks peamiseks domeeniks: Eubacteria ja Archaebacteria. Tõendite kohaselt näivad need rühmad evolutsioonis väga varakult lahku.

Arheebakterid on prokarüootide rühm, mis elavad üldiselt keskkondades, mille tingimused on ebatavalised, näiteks temperatuurid või kõrge soolsus. Need tingimused on tänapäeval haruldased, kuid need võivad esineda primitiivses maal.

Näiteks elavad termoatsidofiilid piirkondades, kus temperatuur on maksimaalselt 80 ° C ja pH on 2.

Eubakterid seevastu elavad meie inimestele ühises keskkonnas. Nad võivad elada pinnases, vees või elada teistes organismides, nagu bakterid, mis on osa meie seedetraktist.

Prokarüootide morfoloogia

Bakterid on mitmeid väga erinevaid ja heterogeenseid morfoloogiaid. Kõige tavalisemate hulgas on ümarad, mida nimetatakse kookospähkliteks. Neid saab esitada individuaalselt, paaridena, ahelas, tetradides jne..

Mõned bakterid on morfoloogiliselt sarnased roosiga ja neid nimetatakse batsillideks. Nii nagu kookospähkleid võib leida erinevates kokkulepetes rohkem kui ühe isikuga. Leiame ka spiraalikujulisi spirokeete ja neid, kellel on kooma või tera kuju, mida nimetatakse vibrioseks.

Kõik need kirjeldatud morfoloogiad võivad erinevate liikide vahel varieeruda - näiteks võib üks bacillus olla pikem kui teine ​​või rohkem ümarate servadega - ja on kasulikud liikide identifitseerimisel..

Paljundamine

Axxual reproduktsioon

Reproduktsioon bakterites on ebatavaline ja toimub binaarse lõhustumise kaudu. Selles protsessis "organism puruneb kaheks", mille tulemuseks on algse organismi kloonid. Selleks tuleb kasutada piisavalt vahendeid.

Protsess on suhteliselt lihtne: ringikujulised DNA replikatsioonid, moodustades kaks identset topeltheliksit. Seejärel majutatakse geneetiline materjal rakumembraani ja rakk hakkab kasvama, kuni see kahekordistab selle suurust. Lõpuks jagatakse rakk ja iga saadud osa omab ringikujulist DNA koopiat.

Mõnedes bakterites võivad rakud materjali jagada ja kasvada, kuid nad ei jaga üldse ja moodustavad mingi ahela.

Geneetilise varieeruvuse allikad

Geenivahetusüritused on olemas bakterite vahel, mis võimaldavad geneetilist ülekannet ja rekombinatsiooni, mis on sarnane protsessiga, mida me teame seksuaalseks reproduktsiooniks. Need mehhanismid on konjugatsioon, transformatsioon ja transduktsioon.

Konjugatsioon seisneb geneetilise materjali vahetamises kahe bakteri vahel struktuuriga, mis on sarnane peene karvaga, mida nimetatakse piliks või fimbrias, mis toimib "sildana". Sel juhul peab mõlema isiku vahel olema füüsiline lähedus.

Ümberkujundamine hõlmab paljast DNA fragmentide kogumist keskkonda. See tähendab, et selles protsessis ei ole teise organismi olemasolu vajalik.

Lõpuks on meil tõlge, kus bakter omandab geneetilise materjali vektori abil, näiteks bakteriofaagid (baktereid nakatavad viirused).

Toitumine

Bakterid vajavad aineid, mis tagavad nende ellujäämise ja annavad neile rakuliste protsesside jaoks vajaliku energia. Rakk võtab need toitained imendumise teel.

Üldiselt võime liigitada toitained oluliseks või aluseliseks (vesi, süsinikuallikad ja lämmastikuühendid), sekundaarsed (nagu mõned ioonid: kaalium ja magneesium) ja mikroelemendid, mida on vaja minimaalsetes kontsentratsioonides (raud, koobalt)..

Mõned bakterid vajavad spetsiifilisi kasvufaktoreid, nagu vitamiine ja aminohappeid ning stimuleerivaid tegureid, mis, kuigi ei ole olulised, aitavad kasvu protsessis kaasa..

Bakterite toitumisvajadused on väga erinevad, kuid nende teadmised on vajalikud selleks, et valmistada tõhusaid söötmeid, mis tagavad huvipakkuva organismi kasvu..

Toiteväärtuse kategooriad

Baktereid võib klassifitseerida vastavalt nende kasutatavale süsinikuallikale kas orgaanilise või anorgaanilise ja sõltuvalt saadud energiaallikast.

Süsinikuallika järgi on meil kaks rühma: autotroofid või litotroofid kasutavad süsinikdioksiidi ja heterotroofe või organotroofe, mis vajavad orgaanilist süsinikuallikat.

Energiaallika puhul on meil ka kaks kategooriat: fototroofid, mis kasutavad päikest või kiirgusenergiast tulevat energiat ja keemiliste reaktsioonide energiast sõltuvaid kemotroofe. Seega, kombineerides mõlemat kategooriat, võib baktereid liigitada:

Fotoautotroofid

Energia saadakse päikesevalgusest - mis tähendab, et nad on fotosünteetiliselt aktiivsed - ja nende süsinikuallikas on süsinikdioksiid.

Fotoheterotroofid

Nad on võimelised oma arenguks kasutama kiirgusenergiat, kuid nad ei saa süsinikdioksiidi lisada. Seetõttu kasutavad nad muid süsinikuallikaid, nagu alkoholid, rasvhapped, orgaanilised happed ja süsivesikud.

Chemoautotrofid

Energia saadakse keemilistest reaktsioonidest ja nad on võimelised sisaldama süsinikdioksiidi.

Chemoheterotroofid

Nad kasutavad keemilistest reaktsioonidest saadavat energiat ja süsinik pärineb orgaanilistest ühenditest, nagu glükoos - mis on kõige enam kasutatud - lipiidid ja ka valgud. Pange tähele, et energiaallikas ja süsinikuallikas on mõlemal juhul ühesugused, seega on nende kahe eristamine keeruline.

Üldiselt kuuluvad mikroorganismid, mida peetakse inimese patogeenideks, sellesse viimasesse kategooriasse ja kasutavad süsinikuallikana nende peremeesorganismide aminohappeid ja lipiidühendeid..

Metabolism

Ainevahetus hõlmab kõiki kompleksseid keemilisi reaktsioone, mida katalüüsivad organismis leiduvad ensüümid, nii et see võib areneda ja paljuneda.

Bakterites ei erine need reaktsioonid keerulisemates organismides esinevatest põhiprotsessidest. Tegelikult on meil mitu marsruuti, mida jagavad mõlemad organismide liigid, näiteks glükolüüs.

Ainevahetuse reaktsioonid jagunevad kahte põhirühma: biosüntees või anaboolsed reaktsioonid ning lagunemis- või kataboolsed reaktsioonid, mis tekivad keemilise energia tootmiseks..

Kataboolsed reaktsioonid vabastavad järk-järgult energia, mida organism kasutab oma komponentide biosünteesiks.

Põhilised erinevused eukarüootsete rakkudega

Prokarüootid erinevad prokarüootidest peamiselt raku struktuurses keerukuses ja selles esinevatel protsessidel. Järgnevalt kirjeldame peamisi erinevusi mõlema liini vahel:

Suurus ja keerukus

Üldiselt on prokarüootsed rakud eukarüootidest väiksemad. Esimesel on diameeter vahemikus 1 kuni 3 μm, erinevalt eukarüootsest rakust, mis võib ulatuda 100 µm-ni. Siiski on mõned erandid.

Kuigi prokarüootsed organismid on ühekomponentsed ja me ei saa neid palja silmaga jälgida (kui me näiteks bakterite kolooniaid jälgime), ei tohiks me mõlema rühma eristamiseks kasutada omadust. Eukarüootides leidub ka ühtseid organisme.

Tegelikult on üks kõige keerulisemaid rakke ühikulised eukarüootid, kuna need peavad sisaldama kõiki nende rakkude jaoks vajalikke struktuure, mis piirduvad rakumembraaniga. Žanrid Paramekium ja Trypanosoom need on tähelepanuväärsed näited sellest.

Teisest küljest on olemas väga keerulised prokarüootid, nagu tsüanobakterid (prokarüootne rühm, kus toimus fotosünteesireaktsioonide areng).

Tuum

Sõna "prokarüoot" tähendab tuuma puudumist (pro = enne; karyon = tuum), samas kui eukarüootidel on tõeline tuum (eu = tõsi). Seega eraldatakse need kaks rühma selle olulise organelle olemasolu tõttu.

Prokarüootides jaotub geneetiline materjal raku spetsiifilises piirkonnas, mida nimetatakse nukleoidiks - ja see ei ole tõeline tuum, sest seda ei piira lipiidmembraan..

Eukarüootidel on määratletud tuum ja seda ümbritseb topeltmembraan. See struktuur on äärmiselt keeruline, esitades erinevaid valdkondi, nagu näiteks tuumolus. Lisaks võib see organell tuuma pooride olemasolu tõttu interakteeruda raku sisekeskkonnaga.

Geneetilise materjali korraldamine

Prokarüootid sisaldavad oma DNA-s 0,6 kuni 5 miljonit aluspaari ja hinnanguliselt võivad nad kodeerida kuni 5000 erinevat valku.. 

Prokarüootsed geenid on organiseeritud operoniteks nimetatavateks üksusteks - nagu tuntud operoni laktoos -, samas kui eukarüootsed geenid ei ole.

Geenides saab eristada kahte "piirkonda": introneid ja eksoneid. Esiteks on need osad, mis ei kodeeri valku ja mis häirivad kodeerivaid piirkondi, mida nimetatakse eksoniteks. Intronid on tavalised eukarüootsetes geenides, kuid mitte prokarüootides.

Prokarüootid on üldiselt haploidsed (üks geneetiline koormus) ja eukarüootidel on nii haploidsed kui ka polüploidsed koormused. Näiteks me inimesed on diploidid. Samuti on prokarüootidel rohkem kui üks kromosoom ja eukarüoot.

Geneetilise materjali tihendamine

Raku tuumas on eukarüootidel keeruline DNA järjestus. DNA pikk ahel (umbes kaks meetrit) on võimeline rulluma nii, et seda saab integreerida tuuma ja jagamisprotsesside ajal saab seda visualiseerida mikroskoobi all kromosoomide vormis..

See DNA tihendamisprotsess hõlmab mitmeid valke, mis on võimelised siduma ahelaga ja moodustama struktuure, mis meenutavad pärl kaelakeed, kus niit on esindatud DNA ja helmed pärlitega. Neid valke nimetatakse histoonideks.

Histoonid on evolutsiooni jooksul laialdaselt konserveerunud. See tähendab, et meie histoonid on uskumatult sarnased hiire omadega või minna kaugemale putukate omast. Struktuurselt omavad nad suurel hulgal positiivselt laetud aminohappeid, mis interakteeruvad DNA negatiivsete laengutega.

Prokarüootides on leitud histoonidega homoloogseid teatud valke, mis on üldiselt tuntud kui histoonid-meeldib. Need valgud aitavad kaasa geeniekspressiooni, DNA rekombinatsiooni ja replikatsiooni kontrollimisele ning sarnaselt histoonidega eukarüootides osalevad nukleoidorganisatsioonis.

Organellid

Eukarüootsetes rakkudes võib identifitseerida rida väga keerulisi rakuosi, mis täidavad spetsiifilisi funktsioone.

Kõige olulisemad on mitokondrid, mis vastutavad rakulise hingamise ja ATP tekitamise protsesside eest, ja taimedes paistavad silma kloroplastid oma kolme membraani süsteemiga ja fotosünteesi jaoks vajalike masinatega..

Samuti on meil Golgi kompleksne, sile ja karm endoplasmaatiline retiikulum, vakuolid, lüsosoomid, peroksisoomid, muu hulgas.

Ribosoomi struktuur

Ribosoomid sisaldavad valke, mis on vajalikud valkude sünteesiks, nii et nad peavad olema nii eukarüootides kui ka prokarüootides. Kuigi see on mõlema jaoks hädavajalik struktuur, erineb see valdavalt suurusest.

Ribosoomid koosnevad kahest allüksusest: üks suur ja üks väike. Iga allüksus identifitseeritakse parameetriga, mida nimetatakse settimiskoefitsiendiks.

Prokarüootides on suur alaühik 50S ja väike allüksus 30S. Tervikstruktuuri nimetatakse 70S. Ribosoomid on hajutatud tsütoplasmas, kus nad täidavad oma ülesandeid.

Eukarüootidel on suuremad ribosoomid, suur subühik on 60S, väike on 40S ja kogu ribosoom on tähistatud väärtusega 80S. Need asuvad peamiselt ankurdatud töötlemata endoplasmaatilises retiikulumis.

Rakuse sein

Rakuseina on oluline osa osmootilise stressiga toimetulekuks ja see on kaitsva barjäär võimalike kahjustuste eest. Peaaegu kõigil prokarüootidel ja mõnedel eukarüootide rühmadel on rakusein. Erinevus seisneb selle keemilises olemuses.

Bakterisein koosneb peptiidoglükaanist, polümeerist, mis koosneb kahest struktuurielemendist: N-atsetüül-glükoosamiin ja N-atsetüülmuramiinhape, mis on seotud p-1,4-tüüpi sidemetega.

Eukarüootses liini sees on ka rakke, millel on seinad, peamiselt mõnedes seentes ja kõigis taimedes. Seente seintes on kõige rohkem ühendit kitiin ja taimedes on see tselluloos, polümeer, mille moodustavad paljud glükoosiüksused..

Rakkude jagamine

Nagu ülalpool kirjeldatud, jagatakse prokarüootid binaarse lõhustumise teel. Eukarüootidel on keeruline jagunemissüsteem, mis hõlmab erinevaid tuumajaotuse etappe, olgu siis mitoos või mioos.

Filogeneetika ja klassifikatsioon

Me oleme tavaliselt harjunud määratlema liigi vastavalt E. Mayri poolt 1989. aastal pakutud bioloogilisele kontseptsioonile: "teistest rühmadest reproduktiivselt isoleeritud ristisõidu looduslike populatsioonide rühmad".

Selle mõiste rakendamine ebatavalistele liikidele, nagu prokarüootide puhul, on võimatu. Seetõttu peab nende organismide klassifitseerimiseks olema teine ​​võimalus läheneda liikide mõistele.

Rosselló-Mora sõnul et al. (2011) sobib fenüülfenetiline kontseptsioon hästi selle liini külge: "monofüütiline ja genoomiliselt ühtne üksikute organismide kogum, millel on paljude sõltumatute omaduste kõrge üldine sarnasus ja mis on diagnoositav diskrimineeriva fenotüübilise omadusega".

Varem jaotati kõik prokarüoodid üheks "domeeniks", kuni Carl Woese soovitas, et elupuudel peaks olema kolm peamist haru. Selle klassifikatsiooni järgi hõlmavad prokarüootid kahte domeeni: Archaea ja Bacteria.

Bakterite sees leiame viis rühma: proteobaktereid, klamüüdiaid, spirokeetide tsüanobaktereid ja grampositiivseid baktereid. Samuti on meil neli peamist arhivaali gruppi: Euryarchaeota, Grupo TACK, Asgard ja Grupo DPANN.

Uued perspektiivid

Bioloogia üks levinumaid kontseptsioone on prokarüootse tsütosooli lihtsus. Uued tõendid näitavad siiski, et prokarüootsetes rakkudes on olemas potentsiaalne organisatsioon. Praegu püütakse teadlastel katkestada organite, tsütoskeleti ja muude omaduste puudumine selles ühekomponentses suguluses.

Organokid prokarüootides

Selle uudse ja vastuolulise ettepaneku autorid kinnitavad, et eukarüootsetes rakkudes on jaotusruumala, peamiselt valkude piiritletud struktuurides ja rakusisestes lipiidides..

Selle idee kaitsjate sõnul on organelle ruum, mida ümbritseb bioloogiline membraan, millel on kindlaksmääratud biokeemiline funktsioon. Nende "organellide" seas, mis vastavad sellele definitsioonile, on meil muu hulgas lipiidkehad, karboksüsoomid, gaasi vacuolid..

Magnetosoomid

Üks põnevam bakterite kamber on magnetosoomid. Need struktuurid on seotud teatud bakterite sarnasusega Magnetospirillum o Magnetokokk - magnetväljade kasutamine orienteerimiseks.

Struktuuriliselt on tegemist väikese kehaga 50 nanomeetriga, mida ümbritseb lipiidmembraan, mille sisemus koosneb magnetilistest mineraalidest.

Fotosünteetilised membraanid

Lisaks on mõnedel prokarüootidel "fotosünteetilised membraanid", mis on nende organismide kõige enam uuritud kambrid.

Need süsteemid töötavad, et maksimeerida fotosünteesi tõhusust, suurendades olemasolevate fotosünteesivalkude arvu ja maksimeerides valgusele avatud membraani pinda..

Salad in Planctomycetes

Ei ole olnud võimalik tuvastada eelpool mainitud piirkondadest usutavat evolutsiooni teed eukarüootide väga keerulistele organellidele.

Kuid žanr Planctomycetes Sellel on seeria sektoreid, mis meenutavad organelle endile ja mida võib pakkuda eukarüootide bakteri esivanemana. Žanris Pirellula bioloogiliste membraanide ümbruses on kromosoome ja ribosoome.

Tsütoskeleti komponendid

Samamoodi on teatud valke, mida ajalooliselt peeti eukarüootide ainulaadseks, sealhulgas olulisi filosoone, mis on tsütoskeleti osa: tubuliin, aktiin ja vahefilamentkiud.

Hiljutised uuringud on õnnestunud tuvastada tubuliiniga homoloogseid valke (FtsZ, BtuA, BtuB ja teised), aktini (MreB ja Mb1) ja vahefilamente (CfoA)..

Viited

  1. Cooper, G. M. (2000). Rakk: molekulaarne lähenemine. Sinauer Associates.
  2. Dorman, C. J., & Deighan, P. (2003). Geeniekspressiooni reguleerimine histoonitaoliste valkude abil bakterites. Praegune arvamus geneetikas ja arengus, 13(2), 179-184.
  3. Guerrero, R., ja Berlanga, M. (2007). Prokarüootsete rakkude peidetud pool: mikroobide maailma taasavastamine. Rahvusvaheline mikrobioloogia, 10(3), 157-168.
  4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Prokarüootsete organellide rakubioloogia. Külma kevadise sadama perspektiivid bioloogias, a000422.
  5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Prokarüootide liikide kontseptsioon. FEMSi mikrobioloogiaülevaated, 25(1), 39-67.
  6. Slesarev, A.I., Belova, G.I., Kozyavkin, S. A., & Lake, J.A. (1998). Tõendid histoonide H2A ja H4 varase prokarüootse päritolu kohta enne eukarüootide tekkimist. Nukleiinhapete uuringud, 26(2), 427-430.
  7. Souza, W. D. (2012). Prokarüootsed rakud: tsütoskeleti ja organellide struktuurne struktuur. Oswaldo Cruzi instituudi mälestused, 107(3), 283-293.