Содержание
- Основы сотовой связи
- Бактериальный клеточный праймер
- Бактериальная клеточная стенка
- Жгутики, пили и эндоспоры
- Бактериальная репродукция
Клетки являются фундаментальными единицами жизни, и, как таковые, они представляют собой мельчайшие отдельные элементы живых существ, которые сохраняют все ключевые свойства, связанные с живыми существами, включая метаболизм, способность к размножению и средства поддержания химического баланса. Клетки либо прокариот, термин, относящийся к бактериям и небольшому количеству одноклеточных организмов, или эукариот, что относится к растениям, грибам и животным.
Бактериальные и другие прокариотические клетки гораздо проще почти во всех отношениях, чем их эукариотические аналоги. Все клетки, как минимум, включают плазматическую мембрану, цитоплазму и генетический материал в форме ДНК. В то время как эукариотические клетки содержат множество различных элементов, помимо этих основных, эти три вещи составляют почти все бактериальные клетки. Бактериальные клетки, однако, включают в себя несколько признаков, которых нет у эукариотических клеток, особенно клеточную стенку.
Основы сотовой связи
Один эукариотический организм может иметь триллионы клеток, хотя дрожжи одноклеточные; бактериальные клетки, с другой стороны, имеют только одну клетку. В то время как эукариотические клетки включают множество мембраносвязанных органелл, таких как ядро, митохондрии (у животных), хлоропласты (растения отвечают за митохондрии), органы Гольджи, эндоплазматический ретикулум и лизосомы, бактериальные клетки не имеют органелл. Как эукариоты, так и прокариоты включают рибосомы, крошечные структуры, ответственные за синтез белка, но они обычно легче визуализируются у эукариот, потому что многие из них группируются вдоль линейного, подобного ленте эндоплазматического ретикулума.
Бактериальные клетки и сами бактерии легко расценивать как «примитивные» благодаря их большему эволюционному возрасту (около 3,5 млрд лет против примерно 1,5 млрд у прокариот) и их простоте. Это, однако, вводит в заблуждение по ряду причин. Один из них заключается в том, что с точки зрения выживания видов более сложный не обязательно означает более устойчивый; по всей вероятности, бактерии как группа переживут людей и другие "высшие" организмы, как только условия на Земле изменятся достаточно. Вторая причина заключается в том, что бактериальные клетки, хотя и простые, выработали множество мощных механизмов выживания, которых нет у эукариот.
Бактериальный клеточный праймер
Бактериальные клетки бывают трех основных форм: палочковидные (бациллы), круглые (кокки) и спиралевидные (спириллы). Эти морфологические характеристики бактериальных клеток могут быть полезны при диагностике инфекционных заболеваний, вызываемых известными бактериями. Например, "острый фарингит" - это причины по видам Стрептококкикоторые, как следует из названия, являются круглыми, как и стафилококки, Сибирская язва вызывается большой бациллой, а болезнь Лайма - спирохетой спиральной формы. В дополнение к различным формам отдельных клеток, бактериальные клетки, как правило, находятся в кластерах, структура которых варьируется в зависимости от рассматриваемого вида. Некоторые палочки и кокки растут в длинных цепях, в то время как некоторые другие кокки встречаются в скоплениях, несколько напоминающих форму отдельных клеток.
Большинство бактериальных клеток, в отличие от вирусов, могут жить независимо от других организмов и не зависят от других живых организмов для метаболических или репродуктивных потребностей. Исключения, однако, существуют; некоторые виды Риккетсии а также Хламидии являются обязательными внутриклеточными, что означает, что у них нет другого выбора, кроме как жить в клетках живых существ, чтобы выжить.
Отсутствие ядра у бактериальных клеток является причиной, по которой прокариотические клетки первоначально отличались от эукариотических клеток, так как это различие проявляется даже под микроскопами с относительно низкой степенью увеличения. Бактериальная ДНК, хотя она и не окружена ядерной мембраной, подобной мембране эукариот, тем не менее имеет тенденцию к тесному скоплению, и получающееся в результате грубое образование называется нуклеоидом. В бактериальных клетках в целом значительно меньше ДНК, чем в эукариотических клетках; если растянуть конец в конец, одна копия типичного генетического материала эукариот, или хроматина, растянется примерно до 1 миллиметра, тогда как у бактерий будет примерно 1-2 микрометра - разница в 500-1000 раз. Генетический материал эукариот включает в себя как саму ДНК, так и белки, называемые гистонами, тогда как прокариотическая ДНК содержит несколько полиаминов (азотных соединений) и ионов магния, связанных с ней.
Бактериальная клеточная стенка
Возможно, наиболее очевидное структурное различие между бактериальными клетками и другими клетками заключается в том, что бактерии обладают клеточными стенками. Эти стены, сделанные из пептидогликана молекулы, лежат только за пределами клеточной мембраны, что характерно для клеток всех типов. Пептидогликаны состоят из комбинации полисахаридных сахаров и белковых компонентов; Их основная задача - обеспечить защиту и жесткость бактерий и предложить точку крепления для таких структур, как пили и жгутики, которые берут начало в клеточной мембране и проходят через клеточную стенку к внешней среде.
Если вы были микробиологом, работавшим в ушедшем столетии, и хотели создать лекарство, которое было бы опасно для бактериальных клеток, но в основном безвредно для клеток человека, и вы знали о соответствующих структурах клеточного состава этих организмов, вы можете сделать это, разработав или обнаружение веществ, которые токсичны для клеточных стенок, не щадя других компонентов клетки. На самом деле, именно так действуют многие антибиотики: они воздействуют и уничтожают клеточные стенки бактерий, в результате убивая бактерии. Пенициллиныкоторые появились в начале 1940-х годов как первый класс антибиотиков, подавляя синтез пептидогликанов, которые составляют клеточные стенки некоторых, но не всех бактерий. Они делают это путем инактивации фермента, который катализирует процесс, называемый перекрестной связью в восприимчивых бактериях. На протяжении многих лет администрация антибиотиков отбирала бактерии, которые производят вещества, называемые бета-лактамазы, которые нацелены на «вторжение» пенициллинов. Таким образом, между антибиотиками и их крошечными мишенями, вызывающими болезни, действует давняя и бесконечная «гонка вооружений».
Жгутики, пили и эндоспоры
Некоторые бактерии имеют внешние структуры, которые помогают бактериям перемещаться по физическому миру. Например, жгутики (singular: жгутик) - это кнутоподобные придатки, которые обеспечивают средства передвижения для бактерий, которые ими обладают, аналогично головастикам. Иногда они обнаруживаются на одном конце бактериальной клетки; у некоторых бактерий они есть на обоих концах. Жгутики «бьют» так же, как пропеллер, позволяя бактериям «гоняться» за питательными веществами, «убегать» от токсичных химикатов или двигаться к свету (некоторые бактерии, называемые цианобактерииполагайтесь на фотосинтез для получения энергии, как это делают растения, и, следовательно, требуют регулярного воздействия света).
Пили (singular: pilus) структурно похожи на жгутики, так как они представляют собой волосяные выступы, простирающиеся наружу от поверхности бактериальных клеток. Их функция, однако, другая. Вместо того, чтобы помогать в передвижении, пили помогают бактериям прикрепляться к другим клеткам и поверхностям различного состава, включая камни, кишечник и даже эмаль зубов. Другими словами, они придают бактериям «липкость» так, как характерные раковины моллюсков позволяют этим организмам прилипать к камням. Без пили многие патогенные (то есть вызывающие заболевание) бактерии не являются инфекционными, потому что они не могут прилипать к тканям хозяина. Специализированный тип пили используются для процесса, называемого конъюгация, в котором две бактерии обмениваются частями ДНК.
Довольно дьявольским конструктом некоторых бактерий являются эндоспоры. бацилла а также Clostridium виды могут производить эти споры, которые являются высокоустойчивыми, обезвоженными и неактивными версиями нормальных бактериальных клеток, которые создаются внутри клеток. Они содержат свой собственный полный геном и все метаболические ферменты. Ключевой особенностью эндоспоры является ее сложное защитное покрытие спор. Болезнь ботулизма вызвана Clostridium botulinum эндоспора, которая выделяет смертельное вещество, называемое эндотоксином.
Бактериальная репродукция
Бактерии производятся в процессе, называемом бинарным делением, что просто означает разделение пополам и создание пары клеток, каждая из которых генетически идентична родительской клетке. Эта бесполая форма размножения резко контрастирует с размножением эукариот, что является половым, поскольку в нем участвуют два родительских организма, которые вносят одинаковое количество генетического материала для создания потомства. Хотя половое размножение на поверхности может показаться громоздким - в конце концов, зачем вводить этот энергетически дорогой шаг, если клетки могут просто разделиться пополам? - это абсолютная гарантия генетического разнообразия, и этот вид разнообразия необходим для выживания видов.
Подумайте об этом: если бы каждый человек был генетически идентичен или даже близок, особенно на уровне ферментов и белков, которые вы не можете видеть, но которые выполняют жизненно важные метаболические функции, тогда одного биологического противника было бы достаточно, чтобы потенциально уничтожить все человечество , Вы уже знаете, что люди отличаются по своей генетической восприимчивости к определенным вещам, от основных (некоторые люди могут умереть от воздействия небольших воздействий аллергенов, включая арахис и пчелиный яд) до относительно тривиальных (некоторые люди не могут переваривать сахарную лактазу, делая они не в состоянии потреблять молочные продукты без серьезных нарушений в их желудочно-кишечной системе). Вид, который обладает большим генетическим разнообразием, в значительной степени защищен от вымирания, потому что это разнообразие предлагает сырье, на которое могут оказывать благоприятное воздействие естественный отбор. Если 10 процентов популяции данного вида оказываются невосприимчивыми к определенному вирусу, который этот вид еще не испытал, это просто причуды. Если, с другой стороны, вирус проявляет себя в этой популяции, это может произойти незадолго до того, как это событие 10 процентов представляет 100 процентов выживших организмов в этом виде.
В результате бактерии разработали ряд методов для обеспечения генетического разнообразия. Они включают преобразование, сопряжение а также трансдукция, Не все бактериальные клетки могут использовать все эти процессы, но между ними они позволяют всем бактериальным видам выживать в гораздо большей степени, чем в противном случае.
Трансформация - это процесс извлечения ДНК из окружающей среды, и она делится на естественные и искусственные формы. При естественной трансформации ДНК из мертвых бактерий интернализуется через клеточную мембрану в стиле мусорщика и включается в ДНК выживших бактерий. При искусственном преобразовании ученые намеренно вводят ДНК в бактерию-хозяина, часто Кишечная палочка (потому что у этого вида небольшой, простой геном, которым легко манипулировать), чтобы изучить эти организмы или создать желаемый бактериальный продукт. Часто введенная ДНК происходит от плазмиду, естественное кольцо бактериальной ДНК.
Конъюгация - это процесс, при котором одна бактерия использует пилус или пили, чтобы «впрыснуть» ДНК во вторую бактерию посредством прямого контакта. Передаваемая ДНК, как и в случае искусственной трансформации, может быть плазмидой или другим фрагментом. Недавно введенная ДНК может включать жизненно важный ген, который кодирует белки, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам.
Наконец, трансдукция зависит от присутствия инвазирующего вируса, называемого бактериофагом. Вирусы полагаются на живые клетки для репликации, потому что, хотя они обладают генетическим материалом, у них нет механизма для его копирования. Эти бактериофаги помещают свой собственный генетический материал в ДНК бактерий, в которые они вторгаются, и направляют бактерии для создания большего количества фагов, геномы которых затем содержат смесь исходной бактериальной ДНК и ДНК бактериофага. Когда эти новые бактериофаги покидают клетку, они могут проникать в другие бактерии и передавать ДНК, полученную от предыдущего хозяина, в новую бактериальную клетку.