PROKARIONTSKA CELICA: ZNAČILNOSTI, ZGRADBA CELIC, VRSTE - BIOLOGIJA - 2025

V prokariontske celice so enostavno in brez jedra, ki ga omejuje plazemske membrane struktur. Organizmi, povezani s to vrsto celic, so enocelični, čeprav se lahko združujejo in tvorijo sekundarne strukture, kot so verige.

Od treh področij življenja, ki jih je predlagal Carl Woese, prokarioti ustrezajo bakterijam in arhejamam. Preostalo domeno, Eucarya, sestavljajo večje, bolj zapletene evkariontske celice z razmejenim jedrom.

Prokariontska celica. Vir: Avtor Ali Zifan, Wikimedia Commons

Ena najpomembnejših dihotomij v bioloških znanostih je razlikovanje med evkariontsko in prokariotsko celico. Zgodovinsko gledano za prokariotski organizem velja, da je preprost, brez notranje organiziranosti, brez organelov in brez citoskeleta. Vendar novi dokazi uničujejo te paradigme.

Na primer, v prokariotih so bile ugotovljene strukture, ki jih je mogoče šteti za organele. Prav tako so bili najdeni proteini, ki so homologni s proteini evkariotov, ki tvorijo citoskelet.

Prokarioti so glede na njihovo prehrano zelo raznoliki. Kot vir energije lahko uporabljajo svetlobo sonca in energijo, ki jo vsebujejo kemične vezi. Med drugim lahko uporabljajo tudi različne vire ogljika, kot so ogljikov dioksid, glukoza, aminokisline, beljakovine.

Prokarioti se delijo aseksualno z binarno cepitvijo. V tem procesu organizem posnema svojo krožno DNK, poveča svojo prostornino in se na koncu razdeli na dve enaki celici.

Vendar obstajajo mehanizmi za izmenjavo genskega materiala, ki ustvarjajo variabilnost bakterij, kot so transdukcija, konjugacija in transformacija.

Splošne značilnosti

Prokarioti so relativno preprosti enocelični organizmi. Najbolj presenetljiva značilnost te skupine je odsotnost pravega jedra. Razdeljeni so na dve veliki veji: prave bakterije ali evbakterije in arhebakterije.

Kolonizirali so skoraj vse domišljijske habitate, od vode in zemlje do notranjosti drugih organizmov, vključno s človekom. Konkretno arhebakterije naseljujejo območja z ekstremnimi temperaturami, slanostjo in pH.

Struktura

Povprečna prokariontska celica.

Arhitekturna shema tipičnega prokariota je brez dvoma bakterija Escherichia coli, bakterija, ki običajno naseljuje naš prebavni trakt.

Oblika celice spominja na palico in ima premer 1 um in 2 um dolžine. Prokariote obdaja celična stena, sestavljena večinoma iz polisaharidov in peptidov.

Bakterijska celična stena je zelo pomembna lastnost in glede na njeno strukturo omogoča vzpostavitev klasifikacijskega sistema v dve veliki skupini: gram pozitivne in gram negativne bakterije.

Sledi celična stena, najdemo membrano (skupni element med prokarioti in evkarioti) lipidne narave z vgrajenim nizom protetičnih elementov, ki ločuje organizem od njegovega okolja.

DNK je krožna molekula, ki se nahaja v določenem območju, ki nima nobene vrste membrane ali ločitve s citoplazmo.

Citoplazma ima hrapav videz in ima približno 3000 ribosomov - struktur, odgovornih za sintezo beljakovin.

Vrste prokariotov

Trenutni prokarioti so sestavljeni iz široke raznolikosti bakterij, ki je razdeljena na dve veliki domeni: Eubacteria in Archaebacteria. Glede na dokaze se zdi, da so se te skupine zelo zgodaj razvile.

Arhebakterije so skupina prokariontov, ki običajno živijo v okolju z nenavadnimi pogoji, kot so temperature ali velika slanost. Te razmere so danes redke, morda pa so bile razširjene že v zgodnji zemlji.

Na primer, termoakidofili živijo na območjih, kjer temperatura doseže največ 80 ° C in pH 2.

Eubakterije živijo v okoliščinah, običajnih za nas ljudi. Lahko naselijo zemljo, vodo ali živijo v drugih organizmih - kot bakterije, ki so del našega prebavnega trakta.

Morfologija prokariotov

Bakterije nastajajo v vrsti zelo raznolikih in heterogenih morfologij. Med najpogostejšimi imamo zaokrožene, ki jih imenujemo kokosi. Te se lahko pojavijo posamezno, v parih, v verigi, v tetrah itd.

Nekatere bakterije so morfološko podobne palici in jih imenujemo bacili. Tako kot kokosovi orehi jih lahko najdemo v različnih aranžmajih z več kot enim posameznikom. Najdemo tudi spiroke v obliki spirale in tiste z vejico ali zrnato obliko, ki jih imenujemo vibrios.

Vsaka od opisanih morfologij se lahko razlikuje med različnimi vrstami - na primer, en bacil je lahko bolj podolgovat kot drugi ali z bolj zaobljenimi robovi - in je uporaben pri identifikaciji vrste.

Razmnoževanje

Aseksualna reprodukcija

Razmnoževanje v bakterijah je aseksualno in poteka s pomočjo binarne cepitve. V tem procesu se organizem dobesedno "razcepi na dva", kar ima za posledico klone začetnega organizma. Za to se morajo imeti na voljo zadostni viri.

Postopek je sorazmerno preprost: krožne DNA replike, ki tvorijo dve enaki dvojni vijačnici. Kasneje se genetski material namesti v celično membrano in celica začne rasti, dokler se v velikosti ne podvoji. Celica se na koncu deli in vsak dobljeni del ima krožno kopijo DNK.

V nekaterih bakterijah lahko celice razdelijo material in rastejo, vendar se ne delijo popolnoma in tvorijo nekakšno verigo.

Dodatni viri genske spremenljivosti

Med bakterijami obstajajo dogodki izmenjave genov, ki omogočajo prenos in rekombinacijo genov, postopek, podoben tistemu, kar poznamo kot spolno razmnoževanje. Ti mehanizmi so konjugacija, transformacija in transdukcija.

Konjugacija vključuje izmenjavo genskega materiala med dvema bakterijama skozi strukturo, podobno drobnim dlačicam, imenovanim pili ali fimbrije, ki deluje kot "most". V tem primeru mora obstajati fizična bližina obeh posameznikov.

Transformacija vključuje odvzem golih fragmentov DNK, ki jih najdemo v okolju. To pomeni, da v tem procesu prisotnost drugega organizma ni potrebna.

Končno imamo prevod, kjer bakterija pridobi gensko snov z vektorjem, na primer bakteriofagi (virusi, ki okužijo bakterije).

Prehrana

Bakterije potrebujejo snovi, ki zagotavljajo njihovo preživetje in jim dajejo energijo, potrebno za celične procese. Celica bo te hranilne snovi prevzela z absorpcijo.

Na splošno lahko uvrstimo hranila med osnovne ali osnovne (voda, ogljikovi viri in dušikove spojine), sekundarne (kot so nekateri ioni: kalij in magnezij) in elemente v sledovih, ki so potrebni v minimalnih koncentracijah (železo, kobalt).

Nekatere bakterije potrebujejo posebne rastne dejavnike, na primer vitamine in aminokisline ter spodbujevalne dejavnike, ki, čeprav niso bistveni, pomagajo v procesu rasti.

Prehranske potrebe bakterij se zelo razlikujejo, vendar je njihovo znanje potrebno za pripravo učinkovitih kulturnih medijev za rast organizma, ki ga zanimajo.

Prehranske kategorije

Bakterije lahko razvrstimo glede na vir ogljika, ki ga uporabljajo, organske ali anorganske in glede na vir proizvodnje energije.

Glede na vir ogljika imamo dve skupini: avtotrofi ali litotrofi uporabljajo ogljikov dioksid in heterotrofi ali organotrofi, ki potrebujejo organski vir ogljika.

V primeru vira energije imamo tudi dve kategoriji: fototrofe, ki uporabljajo energijo sonca ali sevalno energijo, in hemotrofe, ki so odvisni od energije kemičnih reakcij. Tako lahko združimo obe kategoriji bakterije v:

Fotoavtrofi

Energijo pridobivajo iz sončne svetlobe - kar pomeni, da so fotosintetsko aktivne -, njihov vir ogljika pa je ogljikov dioksid.

Fotoheterotrofi

Za svoj razvoj lahko uporabljajo sevalno energijo, vendar ne morejo vključiti ogljikovega dioksida. Zato uporabljajo druge vire ogljika, kot so alkoholi, maščobne kisline, organske kisline in ogljikovi hidrati.

Kemoavtrotrofi

Energijo pridobivajo iz kemičnih reakcij in lahko vključijo ogljikov dioksid.

Kemoheterotrofi

Uporabljajo energijo zaradi kemičnih reakcij, ogljik pa prihaja iz organskih spojin, kot so glukoza - ki jo najbolj uporabljajo - lipidi in tudi beljakovine. Upoštevajte, da sta vir energije in vir ogljika v obeh primerih enaka, zato je razlikovanje med obema težavno.

Na splošno mikroorganizmi, ki veljajo za človeške patogene, spadajo v to zadnjo kategorijo in uporabljajo aminokisline in lipidne spojine svojih gostiteljev kot vir ogljika.

Presnova

Presnova obsega vse zapletene, encimsko katalizirane kemične reakcije, ki potekajo znotraj organizma, tako da se lahko razvija in razmnožuje.

Pri bakterijah se te reakcije ne razlikujejo od osnovnih procesov, ki se pojavljajo pri bolj zapletenih organizmih. Pravzaprav imamo več poti, ki si jih delita obe vrsti organizmov, kot je na primer glikoliza.

Reakcije metabolizma razvrščamo v dve veliki skupini: biosintetske ali anabolične reakcije ter razgradnje ali katabolične reakcije, ki nastanejo zaradi pridobivanja kemične energije.

Katabolične reakcije sproščajo energijo na stopenjski način, ki ga telo porabi za biosintezo svojih komponent.

Temeljne razlike od evkariontskih celic

Prokarioti se od prokariotov razlikujejo predvsem po strukturni zahtevnosti celice in procesih, ki se dogajajo znotraj nje. Spodaj bomo opisali glavne razlike med obema linijama:

Velikost in zapletenost

Na splošno so prokariontske celice manjše od evkariontskih celic. Prvi imajo premer med 1 in 3 µm, v nasprotju z evkariontsko celico, ki lahko doseže 100 µm. Vendar pa obstaja nekaj izjem.

Čeprav so prokariotski organizmi enocelični in jih ne moremo opazovati s prostim očesom (če na primer ne opazimo bakterijskih kolonij), ne bi smeli uporabljati značilnosti za ločevanje obeh skupin. V evkariontih najdemo tudi enocelične organizme.

V resnici so ena najkompleksnejših celic enocelični evkarioti, saj morajo vsebovati vse strukture, potrebne za njihov razvoj, omejene v celični membrani. Znana primera sta rodov Paramecium in Trypanosoma.

Po drugi strani obstajajo zelo zapleteni prokarioti, na primer cianobakterije (prokariontska skupina, kjer je potekala evolucija fotosintetskih reakcij).

Jedro

Beseda "prokariot" se nanaša na odsotnost jedra (pro = prej; karyon = jedro), medtem ko imajo evkarioti resnično jedro (eu = resnično). Tako se ti dve skupini ločita s prisotnostjo tega pomembnega organele.

V prokariotih se genetski material porazdeli na točno določeno območje celice, imenovano nukleoid - in ni pravo jedro, saj ga ne omejuje lipidna membrana.

Evkarioti imajo definirano jedro in so obdani z dvojno membrano. Ta struktura je izredno zapletena, saj predstavlja različna območja v notranjosti, kot je nukleolus. Poleg tega lahko ta organela medsebojno vpliva na notranje okolje celice zahvaljujoč prisotnosti jedrskih por.

Organizacija genskega materiala

Prokarioti vsebujejo od 0,6 do 5 milijonov baznih parov v svoji DNK in ocenjuje se, da lahko kodirajo do 5000 različnih beljakovin.

Prokariontski geni se organizirajo v entitete, imenovane operoni - kot dobro znani laktozni operon - medtem ko evkariontski geni ne.

V genih lahko ločimo dve "regiji": introne in eksone. Prve so dele, ki ne kodirajo beljakovin in prekinjajo kodirna področja, imenovane eksoni. Introni so pogosti v evkariontskih genih, ne pa v prokariotih.

Prokarioti so na splošno haploidni (ena sama genetska obremenitev), evkarioti pa imajo haploidne in poliploidne obremenitve. Na primer, mi ljudje smo diploidni. Podobno imajo prokarioti en kromosom, evkarioti pa več.

Zbijanje genskega materiala

Znotraj celičnega jedra imajo evkarioti zapleteno organizacijo DNK. Dolga veriga DNK (dolga približno dva metra) se lahko zasuka tako, da se jo lahko integrira v jedro in jo med delitvenimi procesi lahko pod mikroskopom vizualizira v obliki kromosomov.

Ta postopek zbijanja DNK vključuje vrsto beljakovin, ki se lahko vežejo na pramen in tvorijo strukture, ki spominjajo na biserno ogrlico, kjer je pramen predstavljen z DNK, kroglice pa z biseri. Te beljakovine imenujemo histoni.

Histoni so bili v celotni evoluciji široko ohranjeni. Z drugimi besedami, naši histoni so neverjetno podobni tistim miške, ali da gremo še dlje od žuželk. Strukturno imajo veliko število pozitivno nabitih aminokislin, ki delujejo z negativnimi naboji DNK.

V prokariotih so našli nekatere proteine, homologne histonom, ki so splošno znani kot histoni. Ti proteini prispevajo k nadzoru ekspresije genov, rekombinaciji in razmnoževanju DNA in tako kot histoni v evkariontih sodelujejo pri organizaciji nukleoida.

Organele

V evkariontskih celicah je mogoče prepoznati vrsto zelo zapletenih podceličnih oddelkov, ki opravljajo posebne funkcije.

Najpomembnejši so mitohondriji, odgovorni za procese celičnega dihanja in tvorjenje ATP, pri rastlinah pa izstopajo kloroplasti s svojim tri membranskim sistemom in s stroji, potrebnimi za fotosintezo.

Prav tako imamo Golgijev kompleksen, gladek in hrapav endoplazemski retikulum, vakuole, lizosome, peroksizome.

Ribosomska zgradba

Ribosomi

Ribosomi obsegajo stroje, potrebne za sintezo beljakovin, zato morajo biti prisotni tako v evkariotih kot v prokariotih. Čeprav je za oba nepogrešljiva struktura, se razlikuje predvsem po velikosti.

Ribosome sestavljata dve podenoti: velika in majhna. Vsaka podenota se identificira s parametrom, imenovanim koeficient sedimentacije.

V prokariotih je velika podenota 50S, majhna podenota pa 30S. Celotna struktura se imenuje 70S. Ribosomi so raztreseni po celotni citoplazmi, kjer opravljajo svoje naloge.

Evkarioti imajo večje ribosome, velika podenota je 60S, majhna podenota 40S, celoten ribosom pa je označen kot 80S. Nahajajo se večinoma zasidrani v grobem endoplazmatskem retikulu.

Celična stena

Celična stena je bistven element pri soočanju z osmotskim stresom in služi kot zaščitna ovira pred morebitnimi poškodbami. Skoraj vsi prokarioti in nekatere skupine evkariontov imajo celično steno. Razlika je v kemični naravi le-tega.

Stena bakterij je sestavljena iz peptidoglikana, polimera, sestavljenega iz dveh strukturnih elementov: N-acetil-glukozamina in N-acetilmuramske kisline, ki sta skupaj povezana z vezmi tipa β-1,4.

Znotraj eukariotske rodu so tudi stenske celice, predvsem v nekaterih glivah in v vseh rastlinah. Najpogostejša spojina v steni gliv je hitin, v rastlinah pa celuloza, polimer, sestavljen iz številnih enot glukoze.

Celična delitev

Kot smo že omenili, se prokarioti delijo z binarno cepitvijo. Evkarioti imajo zapleten sistem delitve, ki vključuje različne stopnje jedrske delitve, bodisi mitoze ali mejoze.

Filogenija in klasifikacija

Na splošno smo navajeni, da določimo vrsto v skladu z biološkim konceptom, ki ga je leta 1989 predlagal E. Mayr: "skupine medkrvnih naravnih populacij, ki so reproduktivno izolirane od drugih skupin".

Uporaba tega koncepta na aseksualnih vrstah, kot je to primer s prokarioti, je nemogoče. Zato mora obstajati drug način, kako pristopiti k konceptu vrst, da bi lahko razvrstili te organizme.

Po navedbah Rosselló-Mora in sod. (2011) se filofenitski koncept dobro ujema s to linijo: "monofletni in genomsko koherenten sklop posameznih organizmov, ki kažejo visoko stopnjo splošne podobnosti v številnih neodvisnih značilnostih, in ga je mogoče diagnosticirati z diskriminirajočo fenotipsko lastnostjo".

Pred tem so bili vsi prokarioti razvrščeni v eno samo "domeno", dokler Carl Woese ni predlagal, da bi moralo drevo življenja imeti tri glavne veje. Po tej razvrstitvi prokarioti vključujejo dve domeni: Archaea in Bacteria.

Znotraj bakterij najdemo pet skupin: proteobakterije, klamidije, cianobakterijske spirokete in gram pozitivne bakterije. Podobno imamo štiri glavne skupine arhej: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard in DPANN Group.

Nova spoznanja

Eden najbolj razširjenih konceptov v biologiji je preprostost prokariotskega citosola. Vendar novi dokazi kažejo, da v prokariotskih celicah obstaja potencialna organizacija. Trenutno znanstveniki poskušajo razbiti dogmo o odsotnosti organelov, citoskeleta in drugih značilnosti v tej enocelični rodu.

Organele v prokariotih

Avtorji tega zelo novega in kontroverznega predloga zagotavljajo, da v evkariontskih celicah obstajajo stopnje delitve, predvsem v strukturah, omejenih z beljakovinami in znotrajceličnimi lipidi.

Po mnenju zagovornikov te ideje je organela predel, obdan z biološko membrano s specifično biokemično funkcijo. Med temi "organeli", ki ustrezajo tej definiciji, imamo med drugim lipidna telesa, karboksi-som, plinske vakuole.

Magnetosomi

Eden najbolj očarljivih oddelkov bakterij so magnetosomi. Te strukture so povezane s sposobnostjo nekaterih bakterij - na primer Magnetospirillum ali Magnetococcus -, da uporabljajo magnetna polja za orientacijo.

Strukturno so majhno 50-nanometrsko telo, obdano z lipidno membrano, katere notranjost je sestavljena iz magnetnih mineralov.

Fotosintetske membrane

Poleg tega imajo nekateri prokarioti "fotosintetske membrane", ki so najbolj preučeni predelki v teh organizmih.

Ti sistemi delujejo tako, da povečajo učinkovitost fotosinteze, povečajo število razpoložljivih fotosintetskih beljakovin in maksimirajo membransko površino, ki je izpostavljena svetlobi.

Oddelki v

Ni bilo mogoče izslediti verjetne evolucijske poti od teh prej omenjenih oddelkov do zelo zapletenih organelov evkariotov.

Vendar ima rod Planctomycetes v notranjosti vrsto oddelkov, ki spominjajo na same organele in jih je mogoče predlagati kot bakterijskega prednika evkariotov. V rodu Pirellula so kromosomi in ribosomi, obdani z biološkimi membranami.

Sestavni deli citoskeleta

Podobno obstajajo določeni proteini, ki so se zgodovinsko šteli za edinstvene evkariote, vključno z osnovnimi nitkami, ki so del citoskeleta: tubulin, aktin in vmesni filamenti.

Nedavne raziskave so uspele ugotoviti beljakovine, ki so homologne tubulinu (FtsZ, BtuA, BtuB in drugi), aktinu (MreB in Mb1) in vmesnim filamentom (CfoA).

Reference

1. Cooper, GM (2000). Celica: Molekularni pristop. Sinauer Associates.
2. Dorman, CJ, in Deighan, P. (2003). Uravnavanje ekspresije genov s histonsko podobnimi proteini v bakterijah. Trenutno mnenje o genetiki in razvoju, 13 (2), 179–184.
3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Skrita stran prokariotske celice: ponovno odkrivanje mikrobnega sveta. International Microbiology, 10 (3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Celična biologija prokariotskih organelov. Perspektive hladne pomladne luke v biologiji, a000422.
5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Koncept vrste za prokariote. FEMS mikrobiološki pregledi, 25 (1), 39–67.
6. Slesarev, AI, Belova, GI, Kozyavkin, SA, & Lake, JA (1998). Dokazi za zgodnji prokariotski izvor histonov H2A in H4 pred pojavom evkariotov. Raziskave nukleinskih kislin, 26 (2), 427–430.
7. Souza, WD (2012). Prokariontske celice: strukturna organizacija citoskeleta in organelov. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 107 (3), 283–293.