Innhold
- Grunnleggende om celle
- En bakteriecellegrunning
- Bakteriecelleveggen
- Flagella, Pili og Endospores
- Bakteriell reproduksjon
Celler er de grunnleggende enhetene i livet, og som sådan er de minste distinkte elementene i levende ting som beholder alle de viktigste egenskapene knyttet til levende ting, inkludert metabolisme, evnen til å reprodusere og et middel til å opprettholde kjemisk balanse. Celler er det heller prokaryote, et begrep som refererer til bakterier og en smattering av encellede organismer, eller eukaryot, som refererer til planter, sopp og dyr.
Bakterielle og andre prokaryote celler er langt enklere på nesten alle måter enn deres eukaryote kolleger. Alle celler inkluderer i det minste en plasmamembran, cytoplasma og genetisk materiale i form av DNA. Mens eukaryote celler har et bredt utvalg av elementer utover disse essensielle tingene, utgjør disse tre tingene nesten hele bakterieceller. Bakterieceller inkluderer imidlertid noen få funksjoner som eukaryote celler ikke ikke, spesielt en cellevegg.
Grunnleggende om celle
En enkelt eukaryotisk organisme kan ha billioner av celler, selv om gjær er encellede; bakterieceller, derimot, har bare en celle. Mens eukaryote celler inkluderer en rekke membranbundne organeller, så som kjernen, mitokondrier (hos dyr), kloroplast (planter svarer på mitokondrier), Golgi-legemer, endoplasmatisk retikulum og lysosomer, har bakterieceller ingen organeller. Både eukaryoter og prokaryoter inkluderer ribosomer, de bittesmå strukturer som er ansvarlige for proteinsyntese, men disse er typisk lettere visualisert i eukaryoter fordi så mange av dem klynger seg langs den lineære, båndlignende endoplasmatiske retikulum.
Det er lett å betrakte bakterieceller og bakterier i seg selv som "primitive" på grunn av både deres større evolusjonsalder (ca. 3,5 milliarder år, mot ca. 1,5 milliarder for prokaryoter) og deres enkelhet. Dette er imidlertid misvisende av flere årsaker. Den ene er at mer komplekst, fra det rene synspunktet om artsoverlevelse, ikke nødvendigvis betyr mer robust; med all sannsynlighet vil bakterier som gruppe overgå mennesker og andre "høyere" organismer når forholdene på jorden endres tilstrekkelig. En annen grunn er at bakterieceller, selv om de er enkle, har utviklet en rekke potente overlevelsesmekanismer som eukaryoter ikke har.
En bakteriecellegrunning
Bakterieceller kommer i tre grunnleggende former: stavlignende (bacilliene), runde (kokker) og spiralformede (spirillier). Disse morfologiske bakteriecelleegenskapene kan være nyttige når man diagnostiserer smittsomme sykdommer forårsaket av kjente bakterier. For eksempel er "strep hals" årsaker av arter av streptokokker, som, som navnet tilsier, er runde, som de er stafylokokker. Miltbrann er forårsaket av en stor bacillus, og Lyme sykdom er forårsaket av en spirochete, som er spiralformet. I tillegg til de forskjellige formene til individuelle celler, har bakterieceller en tendens til å bli funnet i klynger, hvis struktur varierer avhengig av den aktuelle arten. Noen stenger og kokker vokser i lange kjeder, mens visse andre kokker finnes i klynger noe som minner om formen til individuelle celler.
De fleste bakterieceller kan, i motsetning til virus, leve uavhengig av andre organismer, og er ikke avhengige av andre levende ting for metabolske eller reproduktive behov. Unntak eksisterer imidlertid; noen arter av rickettsiae og Chlamydia er obligatorisk intracellulære, noe som betyr at de ikke har noe annet valg enn å bebo cellene til levende ting for å overleve.
Bakterieceller som mangler en kjerne er årsaken til at prokaryotiske celler opprinnelig ble skilt fra eukaryote celler, da denne forskjellen er tydelig selv under mikroskop med relativt lav forstørrelsesevne. Bakteriell DNA, selv om det ikke er omgitt av en nukleær membran som eukaryoter, har en tendens til å tette seg tett, og den resulterende grove formasjonen kalles en nukleoid. Det er betydelig mindre DNA totalt sett i bakterieceller enn i eukaryote celler; hvis en strekning varte fra ende til annen, ville en enkelt kopi av det typiske eukaryrotene genetisk materiale, eller kromatin, strekke seg til omtrent 1 millimeter, mens en bakterie ville spenne rundt 1 til 2 mikrometer - en forskjell på 500 til 1000 ganger. Det genetiske materialet til eukaryoter inkluderer både DNA selv og proteiner som kalles histoner, mens prokaryot DNA har noen få polyaminer (nitrogenforbindelser) og magnesiumioner forbundet med det.
Bakteriecelleveggen
Den kanskje tydeligste strukturelle forskjellen mellom bakterieceller og andre celler er det faktum at bakterier har cellevegger. Disse veggene, laget av peptidoglycan molekyler, ligger rett utenfor cellemembranen, hvilke celler av alle typer har. Peptidoglykaner består av en kombinasjon av polysakkarid-sukker og proteinkomponenter; deres viktigste jobb er å tilføre bakterier beskyttelse og stivhet og tilby et forankringspunkt for strukturer som pili og flagella, som har sin opprinnelse i cellemembranen og strekker seg gjennom celleveggen til det ytre miljø.
Hvis du var en mikrobiolog som opererte i et svunnen århundre og ønsket å lage et medikament som ville være farlig for bakterieceller mens det meste er ufarlig for menneskelige celler, og hadde kunnskap om de respektive strukturer i disse organismenes cellesammensetning, kan du gjøre dette ved å utforme eller å finne stoffer som er giftige for cellevegger mens du sparer andre cellekomponenter. Det er faktisk akkurat slik mange antibiotika fungerer: De retter seg mot og ødelegger celleveggene til bakteriene, og dreper bakteriene som et resultat. penicilliner, som dukket opp på begynnelsen av 1940-tallet som den første klassen av antibiotika, virker ved å hemme syntesen av peptidoglykanene som utgjør celleveggene til noen, men ikke alle, bakterier. De gjør dette ved å inaktivere et enzym som katalyserer en prosess som kalles tverrbinding i mottakelige bakterier. Gjennom årene har administrering av antibiotika valgt bakterier som tilfeldigvis produserer stoffer som kalles beta-laktamaser, og som er rettet mot de "invaderende" penicilliner. Dermed gjenstår et langvarig og uendelig "våpenløp" mellom antibiotika og deres ørsmå, sykdomsfremkallende mål.
Flagella, Pili og Endospores
Noen bakterier har ytre strukturer som hjelper bakteriene i deres navigering av den fysiske verden. For eksempel, flag (entall: flagellum) er pisklignende vedheng som gir et middel til bevegelse for bakterier som besitter dem, ligner det på rumpetrollene. Noen ganger blir de funnet i den ene enden av en bakteriecelle; noen bakterier har dem i begge ender. Flagellen "slår" omtrent som en propell gjør, slik at bakterier kan "jage" næringsstoffer, "flykte" fra giftige kjemikalier eller bevege seg mot lys (noen bakterier, kalt cyanobakterier, stole på fotosyntesen for energi som planter gjør og krever derfor regelmessig eksponering for lys).
pili (entall: pilus), er strukturelt lik flagella, da de er håraktige fremspring som strekker seg utover fra bakteriecelleoverflaten. Deres funksjon er imidlertid forskjellig. Heller enn å hjelpe til med bevegelse, hjelper pili bakterier å feste seg til andre celler og overflater i forskjellige sammensetninger, inkludert bergarter, tarmer og til og med emaljen på tennene dine. Med andre ord, de tilbyr "klebrighet" til bakterier på den måten de karakteristiske skjellene til småkorn lar disse organismer feste seg til bergarter. Uten pili er mange sykdomsfremkallende (dvs. sykdomsfremkallende) bakterier ikke smittsomme, fordi de ikke kan feste seg til vertsvev. En spesialisert type pili brukes til en prosess som heter konjugering, der to bakterier utveksler deler av DNA.
En ganske diabolisk konstruksjon av visse bakterier er endosporer. Bacillus og Clostridium arter kan produsere disse sporer, som er svært varmebestandige, dehydrerte og inaktive versjoner av normale bakterieceller som skapes inne i cellene. De inneholder sitt eget komplette genom og alle metabolske enzymer. Hovedtrekket i endosporen er dens komplekse beskyttende sporfrakk. Sykdommen botulisme er forårsaket av a Clostridium botulinum endospore, som utskiller et livsfarlig stoff som kalles en endotoksin.
Bakteriell reproduksjon
Bakterier produserer ved en prosess som kalles binær fisjon, som ganske enkelt betyr å dele i to og skape et par celler som hver er genetisk identisk med foreldrecellen. Denne aseksuelle formen for reproduksjon står i skarp kontrast til reproduksjonen av eukaryoter, som er seksuell ved at den involverer to foreldreorganismer som bidrar med en like stor mengde genetisk materiale for å skape et avkom. Selv om seksuell reproduksjon på overflaten kan virke tungvint - tross alt, hvorfor introdusere dette energisk kostbare trinnet hvis celler bare kan dele seg i to i stedet? - det er en absolutt forsikring om genetisk mangfold, og denne typen mangfold er avgjørende for artsoverlevelse.
Tenk på det: Hvis hvert menneske var genetisk identisk eller til og med nært, spesielt på nivået av enzymer og proteiner du ikke kan se, men som tjener viktige metabolske funksjoner, ville en enkelt type biologisk motstand være tilstrekkelig til å utslette hele menneskeheten . Du vet allerede at mennesker skiller seg i genetisk mottakelighet for visse ting, fra de viktigste (noen mennesker kan dø av eksponering for små eksponeringer for allergener, inkludert peanøtter og biegif) til det relativt trivielle (noen mennesker kan ikke fordøye sukkerlaksasen, noe som gjør dem ikke klarer å konsumere meieriprodukter uten alvorlige forstyrrelser i mage-tarmsystemene). En art som nyter godt av mye genetisk mangfold er i stor grad beskyttet mot utryddelse, fordi dette mangfoldet tilbyr råstoffet som gunstig naturlig seleksjonstrykk kan virke på. Hvis 10 prosent av befolkningen i en gitt art tilfeldigvis er immun mot et visst virus som arten ennå ikke har opplevd, er dette bare en merkelig. Hvis viruset derimot manifesterer seg i denne populasjonen, kan det ikke vare lang tid før dette tilfellet representerer 10 prosent 100 prosent av de overlevende organismer i denne arten.
Som et resultat har bakterier utviklet en rekke metoder for å sikre genetisk mangfold. Disse inkluderer transformasjon, konjugering og transduksjon. Ikke alle bakterieceller kan benytte seg av alle disse prosessene, men mellom dem lar de alle bakteriearter overleve i langt større grad enn de ellers ville gjort.
Transformasjon er prosessen med å ta opp DNA fra miljøet, og det er delt inn i naturlige og kunstige former. I naturlig transformasjon blir DNA fra døde bakterier internalisert via cellemembranen, scavenger-stil og innlemmet i DNAet til de overlevende bakteriene. I kunstig transformasjon introduserer forskere med vilje DNA i en vertsbakterie, ofte E coli (fordi denne arten har et lite, enkelt genom som lett kan manipuleres) for å studere disse organismer eller lage et ønsket bakterieprodukt. Ofte er det introduserte DNA fra a plasmid, en naturlig forekommende ring av bakteriell DNA.
Konjugering er prosessen der en bakterie bruker en pilus eller pili for å "injisere" DNA i en andre bakterie via direkte kontakt. Det overførte DNA kan, som ved kunstig transformasjon, være et plasmid, eller det kan være et annet fragment. Det nylig introduserte DNAet kan inneholde et vitalt gen som koder for proteiner som muliggjør antibiotikaresistens.
Endelig er overføring avhengig av tilstedeværelsen av et invaderende virus kalt en bakteriofag. Virus er avhengige av levende celler for å gjenskape seg, selv om de har genetisk materiale, mangler de maskiner for å lage kopier av det. Disse bakteriofagene plasserer sitt eget genetiske materiale i DNAet til bakteriene de invaderer og dirigerer bakteriene til å lage flere fager, hvis genom inneholder deretter en blanding av det opprinnelige bakterielle DNA og bakteriofag-DNA. Når disse nye bakteriofagene forlater cellen, kan de invadere andre bakterier og overføre DNA som er anskaffet fra den forrige verten til den nye bakteriecellen.