ПРОКАРИОТИЧЕСКАЯ КЛЕТКА: ХАРАКТЕРИСТИКА, СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ, ВИДЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

В прокариотических клетках просты и без ядра , ограниченного плазма мембранных структур. Организмы, связанные с этим типом клеток, одноклеточные, хотя они могут группироваться вместе и образовывать вторичные структуры, такие как цепочки.

Из трех сфер жизни, предложенных Карлом Вёзе, прокариоты соответствуют Бактериям и Архее. Оставшийся домен, Eucarya, состоит из более крупных и сложных эукариотических клеток с ограниченным ядром.

Прокариотическая клетка. Источник: Али Зифан, из Wikimedia Commons.

Одна из наиболее важных дихотомий в биологических науках - это различие между эукариотической и прокариотической клетками. Исторически прокариотический организм считается простым, без внутренней организации, без органелл и без цитоскелета. Однако новые данные разрушают эти парадигмы.

Например, у прокариот были обнаружены структуры, которые потенциально могут рассматриваться как органеллы. Аналогичным образом были обнаружены белки, гомологичные белкам эукариот, которые образуют цитоскелет.

Прокариоты очень разнообразны в плане питания. Они могут использовать солнечный свет и энергию, содержащуюся в химических связях, в качестве источника энергии. Они также могут использовать различные источники углерода, такие как диоксид углерода, глюкоза, аминокислоты, белки и другие.

Прокариоты делятся бесполым путем двойным делением. В этом процессе организм реплицирует свою кольцевую ДНК, увеличивает ее объем и, наконец, делится на две идентичные клетки.

Однако существуют механизмы обмена генетическим материалом, которые создают изменчивость у бактерий, такие как трансдукция, конъюгация и трансформация.

Общие характеристики

Прокариоты - относительно простые одноклеточные организмы. Самая поразительная характеристика, которая идентифицирует эту группу, - это отсутствие истинного ядра. Они делятся на две большие ветви: настоящие бактерии или эубактерии и архебактерии.

Они колонизировали почти все мыслимые места обитания, от воды и почвы до внутренних частей других организмов, включая человека. В частности, архебактерии населяют районы с экстремальными температурами, соленостью и pH.

Структура

Средняя прокариотическая клетка.

Архитектурная схема типичного прокариота, без сомнения, представляет собой схему Escherichia coli, бактерии, которая обычно обитает в нашем желудочно-кишечном тракте.

Форма ячейки напоминает стержень и составляет 1 мкм в диаметре и 2 мкм в длину. Прокариоты окружены клеточной стенкой, состоящей в основном из полисахаридов и пептидов.

Стенка бактериальной клетки является очень важной характеристикой и, в зависимости от ее структуры, позволяет разделить систему классификации на две большие группы: грамположительные и грамотрицательные бактерии.

За клеточной стенкой мы находим мембрану (общий элемент между прокариотами и эукариотами) липидной природы с рядом встроенных в нее протезных элементов, которые отделяют организм от окружающей его среды.

ДНК представляет собой кольцевую молекулу, расположенную в определенной области, которая не имеет какой-либо мембраны или разделения с цитоплазмой.

Цитоплазма имеет грубый вид и содержит около 3000 рибосом - структур, ответственных за синтез белка.

Типы прокариот

Современные прокариоты состоят из широкого разнообразия бактерий, которые делятся на два больших домена: эубактерии и архебактерии. Согласно имеющимся данным, эти группы, по-видимому, разошлись на очень раннем этапе эволюции.

Архебактерии - это группа прокариот, которые обычно живут в необычных условиях, таких как температура или высокая соленость. Сегодня эти условия редки, но, возможно, они преобладали на ранней Земле.

Например, термоацидофилы обитают в районах, где температура достигает максимум 80 ° C и pH равен 2.

Эубактерии, в свою очередь, живут в среде, обычной для нас, людей. Они могут населять почву, воду или жить в других организмах, таких как бактерии, которые являются частью нашего пищеварительного тракта.

Морфология прокариот

Бактерии имеют очень разнообразную и гетерогенную морфологию. Среди наиболее распространенных - кокосы округлой формы. Это может происходить индивидуально, парами, цепочкой, тетрадой и т. Д.

Некоторые бактерии морфологически похожи на палочку и называются бациллами. Как и кокосы, их можно найти в разных композициях с более чем одним человеком. Мы также находим спиралевидные спирохеты и спирохеты с запятой или зернистостью, называемые вибрионами.

Каждая из этих описанных морфологий может различаться у разных видов - например, одна палочка может быть более вытянутой, чем другая, или с более закругленными краями - и полезна для идентификации видов.

репродукция

Бесполое размножение

Размножение у бактерий бесполое и происходит посредством бинарного деления. В этом процессе организм буквально «распадается на две части», в результате чего возникают клоны исходного организма. Для этого должно быть доступно достаточно ресурсов.

Процесс относительно прост: кольцевая ДНК реплицируется, образуя две идентичные двойные спирали. Позже генетический материал размещается в клеточной мембране, и клетка начинает расти, пока не станет вдвое больше. В конечном итоге клетка делится, и каждая полученная часть имеет кольцевую копию ДНК.

У некоторых бактерий клетки могут делить материал и расти, но они не делятся полностью и образуют своего рода цепочку.

Дополнительные источники генетической изменчивости

Между бактериями происходят процессы обмена генами, которые позволяют генетический перенос и рекомбинацию, процесс, похожий на то, что мы знаем как половое размножение. Эти механизмы - конъюгация, трансформация и трансдукция.

Конъюгация заключается в обмене генетическим материалом между двумя бактериями через структуру, похожую на тонкие волоски, называемые пили или фимбрии, которые действуют как «мост». В этом случае между двумя людьми должна быть физическая близость.

Трансформация включает взятие обнаженных фрагментов ДНК, обнаруженных в окружающей среде. То есть в этом процессе присутствие второго организма не обязательно.

Наконец, у нас есть трансляция, при которой бактерия получает генетический материал через вектор, например, бактериофаги (вирусы, заражающие бактерии).

питание

Бактериям нужны вещества, которые гарантируют их выживание и дают им энергию, необходимую для клеточных процессов. Клетка будет поглощать эти питательные вещества путем абсорбции.

В целом мы можем классифицировать питательные вещества как основные или основные (вода, источники углерода и азотистые соединения), вторичные (например, некоторые ионы: калий и магний) и микроэлементы, которые необходимы в минимальных концентрациях (железо, кобальт).

Некоторым бактериям необходимы особые факторы роста, такие как витамины, аминокислоты и стимулирующие факторы, которые, хотя и не являются необходимыми, но помогают в процессе роста.

Потребности бактерий в питании сильно различаются, но их знания необходимы, чтобы иметь возможность готовить эффективные питательные среды, обеспечивающие рост интересующего организма.

Категории питания

Бактерии можно классифицировать по используемому ими источнику углерода: органический или неорганический, а также в зависимости от источника производства энергии.

В зависимости от источника углерода у нас есть две группы: автотрофы или литотрофы используют диоксид углерода, а гетеротрофы или органотрофы, которым требуется источник органического углерода.

В случае с источником энергии у нас также есть две категории: фототрофы, которые используют энергию солнца или лучистую энергию, и хемотрофы, которые зависят от энергии химических реакций. Таким образом, комбинируя обе категории, бактерии можно разделить на:

фотоавтотрофов

Они получают энергию от солнечного света, что означает, что они фотосинтетически активны, а их источником углерода является углекислый газ.

Photoheterotrophs

Они способны использовать лучистую энергию для своего развития, но не способны включать углекислый газ. Поэтому они используют другие источники углерода, такие как спирты, жирные кислоты, органические кислоты и углеводы.

хемоавтотрофов

Они получают энергию в результате химических реакций и могут включать в себя углекислый газ.

Chemoheterotrophs

Они используют энергию химических реакций, а углерод поступает из органических соединений, таких как глюкоза, которая наиболее часто используется, липиды, а также белки. Обратите внимание, что источник энергии и источник углерода одинаковы в обоих случаях, поэтому различие между ними затруднено.

Как правило, микроорганизмы, которые считаются патогенами человека, относятся к последней категории и используют аминокислоты и липидные соединения своих хозяев в качестве источника углерода.

метаболизм

Метаболизм включает в себя все сложные химические реакции, катализируемые ферментами, которые происходят внутри организма, чтобы он мог развиваться и воспроизводиться.

У бактерий эти реакции не отличаются от основных процессов, протекающих у более сложных организмов. Фактически, у нас есть несколько путей, которые являются общими для обеих линий организмов, например, гликолиз.

Метаболические реакции подразделяются на две большие группы: реакции биосинтеза или анаболические реакции и реакции разложения или катаболические реакции, которые происходят для получения химической энергии.

Катаболические реакции поочередно высвобождают энергию, которую организм использует для биосинтеза своих компонентов.

Принципиальные отличия от эукариотических клеток

Прокариоты отличаются от прокариот прежде всего структурной сложностью клетки и процессами, происходящими в ней. Ниже мы опишем основные различия между двумя линиями передачи:

Размер и сложность

Как правило, прокариотические клетки меньше эукариотических клеток. Первые имеют диаметр от 1 до 3 мкм, в отличие от эукариотической клетки, которая может достигать 100 мкм. Однако есть и исключения.

Хотя прокариотические организмы одноклеточные, и мы не можем наблюдать их невооруженным глазом (если, например, мы не наблюдаем колонии бактерий), мы не должны использовать характеристики, чтобы различать обе группы. У эукариот мы также находим одноклеточные организмы.

Фактически, одни из самых сложных клеток - одноклеточные эукариоты, поскольку они должны содержать все структуры, необходимые для их развития, заключенные в клеточную мембрану. Роды Paramecium и Trypanosoma являются яркими примерами этого.

С другой стороны, существуют очень сложные прокариоты, такие как цианобактерии (группа прокариот, в которой происходила эволюция фотосинтетических реакций).

ядро

Слово «прокариот» относится к отсутствию ядра (pro = до; karyon = ядро), в то время как у эукариот есть истинное ядро ​​(eu = истинное). Таким образом, эти две группы разделены наличием этой важной органеллы.

У прокариот генетический материал распределяется в определенной области клетки, называемой нуклеоидом, и это не настоящее ядро, потому что оно не ограничено липидной мембраной.

Эукариоты имеют определенное ядро ​​и окружены двойной мембраной. Эта структура чрезвычайно сложна, внутри представлены различные области, например ядрышко. Кроме того, эта органелла может взаимодействовать с внутренней средой клетки благодаря наличию ядерных пор.

Организация генетического материала

Прокариоты содержат от 0,6 до 5 миллионов пар оснований в своей ДНК, и, по оценкам, они могут кодировать до 5000 различных белков.

Прокариотические гены организуются в сущности, называемые оперонами, как хорошо известный оперон лактозы, тогда как эукариотические гены этого не делают.

В генах можно выделить две «области»: интроны и экзоны. Первые представляют собой части, которые не кодируют белок и прерывают кодирующие области, называемые экзонами. Интроны распространены у эукариотических генов, но не у прокариот.

Прокариоты обычно гаплоидны (единственная генетическая нагрузка), а эукариоты имеют как гаплоидную, так и полиплоидную нагрузки. Например, мы, люди, диплоиды. Точно так же прокариоты имеют одну хромосому, а эукариоты - более одной.

Уплотнение генетического материала

Внутри ядра клетки эукариоты демонстрируют сложную организацию ДНК. Длинная цепь ДНК (около двух метров в длину) способна скручиваться таким образом, что она может интегрироваться в ядро, и во время процессов деления ее можно визуализировать под микроскопом как хромосомы.

Этот процесс уплотнения ДНК включает ряд белков, которые могут связываться с нитью и образовывать структуры, напоминающие жемчужное ожерелье, в котором нить представлена ​​ДНК, а бусинки - жемчугом. Эти белки называются гистонами.

Гистоны широко сохранялись на протяжении всей эволюции. Другими словами, наши гистоны невероятно похожи на гистоны мыши или даже на гистоны насекомых. Структурно они имеют большое количество положительно заряженных аминокислот, которые взаимодействуют с отрицательными зарядами ДНК.

У прокариот были обнаружены определенные белки, гомологичные гистонам, которые обычно известны как гистоноподобные. Эти белки способствуют контролю экспрессии генов, рекомбинации и репликации ДНК и, подобно гистонам у эукариот, участвуют в организации нуклеоида.

Органеллы

В эукариотических клетках можно идентифицировать ряд очень сложных субклеточных компартментов, которые выполняют определенные функции.

Наиболее важными являются митохондрии, отвечающие за процессы клеточного дыхания и генерации АТФ, а у растений выделяются хлоропласты с их трехмембранной системой и механизмами, необходимыми для фотосинтеза.

Точно так же у нас есть комплекс Гольджи, гладкая и шероховатая эндоплазматическая сеть, вакуоли, лизосомы, пероксисомы и другие.

Структура рибосомы

Рибосомы

Рибосомы содержат механизм, необходимый для синтеза белка, поэтому они должны присутствовать как у эукариот, так и у прокариот. Хотя это незаменимая конструкция для обоих, она различается преимущественно по размеру.

Рибосомы состоят из двух субъединиц: большой и малой. Каждая субъединица идентифицируется параметром, называемым коэффициентом седиментации.

У прокариот большая субъединица - это 50S, а малая субъединица - это 30S. Вся конструкция называется 70S. Рибосомы разбросаны по цитоплазме, где они выполняют свои задачи.

Эукариоты имеют более крупные рибосомы, большая субъединица - 60S, малая субъединица - 40S, а вся рибосома обозначена как 80S. Они расположены в основном в грубой эндоплазматической сети.

Клеточная стенка

Клеточная стенка является важным элементом противостояния осмотическому стрессу и служит защитным барьером от возможных повреждений. Практически все прокариоты и некоторые группы эукариот имеют клеточную стенку. Разница заключается в его химической природе.

Бактериальная стенка состоит из пептидогликана, полимера, состоящего из двух структурных элементов: N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, связанных между собой связями типа β-1,4.

Внутри эукариотической линии есть также клетки стенки, в основном у некоторых грибов и у всех растений. Самым распространенным соединением в стенке грибов является хитин, а у растений - целлюлоза, полимер, состоящий из многих единиц глюкозы.

Клеточное деление

Как обсуждалось ранее, прокариоты делятся на бинарное деление. У эукариот сложная система деления, которая включает в себя разные стадии деления ядра, будь то митоз или мейоз.

Филогения и классификация

Обычно мы привыкли определять вид в соответствии с биологической концепцией, предложенной Э. Майром в 1989 году: «группы скрещивающихся естественных популяций, репродуктивно изолированные от других групп».

Применение этой концепции к бесполым видам, как в случае с прокариотами, невозможно. Следовательно, должен быть другой подход к концепции видов, чтобы классифицировать эти организмы.

По данным Росселло-Мора и др. (2011), филофенетическая концепция хорошо согласуется с этой линией: «монофилетический и геномно согласованный набор индивидуальных организмов, которые демонстрируют высокую степень общего сходства по многим независимым характеристикам и диагностируются по различающему фенотипическому свойству».

Раньше все прокариоты относились к одному «домену», пока Карл Вёзе не предположил, что у древо жизни должно быть три основных ветви. Следуя этой классификации, прокариоты включают два домена: археи и бактерии.

Внутри бактерий мы находим пять групп: протеобактерии, хламидии, цианобактериальные спирохеты и грамположительные бактерии. Точно так же у нас есть четыре основные группы архей: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard и DPANN Group.

Новые идеи

Одна из самых распространенных концепций в биологии - это простота цитозоля прокариот. Однако новые данные свидетельствуют о том, что в прокариотических клетках существует потенциальная организация. В настоящее время ученые пытаются разрушить догму об отсутствии органелл, цитоскелета и других характеристик в этой одноклеточной линии.

Органеллы у прокариот

Авторы этого очень нового и противоречивого предложения утверждают, что существуют уровни компартментализации в эукариотических клетках, в основном в структурах, ограниченных белками и внутриклеточными липидами.

Согласно сторонникам этой идеи, органелла - это компартмент, окруженный биологической мембраной со специфической биохимической функцией. Среди этих «органелл», подходящих под это определение, есть липидные тела, карбоксисомы, газовые вакуоли и другие.

магнитосом

Магнитосомы - одна из самых интересных частей бактерий. Эти структуры связаны со способностью определенных бактерий, таких как Magnetospirillum или Magnetococcus, использовать магнитные поля для ориентации.

Конструктивно они представляют собой небольшое 50-нанометровое тело, окруженное липидной мембраной, внутренняя часть которой состоит из магнитных минералов.

Фотосинтетические мембраны

Кроме того, у некоторых прокариот есть «фотосинтетические мембраны», которые являются наиболее изученными компартментами в этих организмах.

Эти системы работают, чтобы максимизировать эффективность фотосинтеза, увеличивая количество доступного фотосинтетического белка и максимизируя мембранную поверхность, которая подвергается воздействию света.

Отсеков в

Невозможно проследить правдоподобный эволюционный путь от этих ранее упомянутых компартментов до очень сложных органелл эукариот.

Тем не менее, у рода Planctomycetes внутри есть ряд отделов, которые напоминают сами органеллы и могут быть предложены как бактериальные предки эукариот. В роде Pirellula есть хромосомы и рибосомы, окруженные биологическими мембранами.

Компоненты цитоскелета

Точно так же есть определенные белки, которые исторически считались уникальными для эукариот, включая основные филаменты, которые являются частью цитоскелета: тубулин, актин и промежуточные филаменты.

Недавние исследования позволили идентифицировать белки, гомологичные тубулину (FtsZ, BtuA, BtuB и др.), Актину (MreB и Mb1) и промежуточным филаментам (CfoA).

Ссылки

1. Купер, GM (2000). Клетка: молекулярный подход. Sinauer Associates.
2. Дорман, CJ, и Дейган, П. (2003). Регуляция экспрессии генов гистоноподобными белками у бактерий. Текущее мнение в области генетики и развития, 13 (2), 179-184.
3. Герреро Р. и Берланга М. (2007). Скрытая сторона прокариотической клетки: новое открытие микробного мира. Международная микробиология, 10 (3), 157-168.
4. Мурат Д., Бирн М. и Комейли А. (2010). Клеточная биология прокариотических органелл. Биологические перспективы Колд-Спринг-Харбор, a000422.
5. Росселло-Мора Р. и Аманн Р. (2001). Видовое понятие прокариот. Обзоры микробиологии FEMS, 25 (1), 39-67.
6. Слесарев А.И., Белова Г.И., Козявкин С.А., Лейк Дж.А. (1998). Доказательства раннего прокариотического происхождения гистонов H2A и H4 до появления эукариот. Исследование нуклеиновых кислот, 26 (2), 427-430.
7. Соуза, WD (2012). Прокариотические клетки: структурная организация цитоскелета и органелл. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 107 (3), 283–293.