PROKARIOTU ŠŪNA: RAKSTUROJUMS, ŠŪNU STRUKTŪRA, VEIDI - BIOLOĢIJA - 2025

The prokariotu šūnas ir vienkārša un bez kodola ar plazmas membrānu struktūras ierobežo. Organismi, kas saistīti ar šo šūnu tipu, ir vienšūnas, lai gan tie var sagrupēties un veidot sekundāras struktūras, piemēram, ķēdes.

No trim Karla Voesa ierosinātajām dzīves jomām prokarioti atbilst baktērijām un Archaea. Atlikušo domēnu - Eucarya - veido lielākas, sarežģītākas eikariotu šūnas ar norobežotu kodolu.

Prokariotu šūna. Avots: Autors Ali Zifans, no Wikimedia Commons

Viena no svarīgākajām bioloģisko zinātņu dihotomijām ir atšķirība starp eikariotu un prokariotu šūnu. Vēsturiski prokariotu organisms tiek uzskatīts par vienkāršu, bez iekšējas organizācijas, bez organellām un bez citoskeleta. Tomēr jauni pierādījumi iznīcina šīs paradigmas.

Piemēram, prokariotos ir identificētas struktūras, kuras potenciāli var uzskatīt par organellām. Tāpat ir atrasti proteīni, kas ir homologiski eukariotu olbaltumvielām, kas veido citoskeletu.

Prokarioti ir ļoti atšķirīgi uztura ziņā. Viņi kā enerģijas avotu var izmantot saules gaismu un enerģiju, kas atrodas ķīmiskajās saitēs. Viņi cita starpā var izmantot arī dažādus oglekļa avotus, piemēram, oglekļa dioksīdu, glikozi, aminoskābes, olbaltumvielas.

Prokarioti sadalās aseksuāli ar bināru dalīšanos. Šajā procesā organisms replicē savu apļveida DNS, palielina tā tilpumu un visbeidzot sadalās divās identiskās šūnās.

Tomēr pastāv ģenētiskā materiāla apmaiņas mehānismi, kas rada baktēriju mainīgumu, piemēram, transdukcija, konjugācija un transformācija.

Vispārīgais raksturojums

Prokarioti ir samērā vienkārši vienšūnas organismi. Visspilgtākais raksturojums, kas identificē šo grupu, ir īsta kodola neesamība. Tās ir sadalītas divās lielās filiālēs: īstās baktērijas jeb eubakterijas un arhebaktērijas.

Viņi ir kolonizējuši gandrīz katru iedomājamo dzīvotni, sākot no ūdens un augsnes līdz citu organismu, ieskaitot cilvēkus, iekšienē. Konkrēti, arhebaktērijas apdzīvo apgabalus ar ārkārtēju temperatūru, sāļumu un pH.

Uzbūve

Vidējā prokariotu šūna.

Tipiska prokariota arhitektūras shēma bez šaubām ir Escherichia coli - baktērija, kas parasti apdzīvo mūsu kuņģa-zarnu traktu.

Šūnas forma atgādina stieni un ir 1 um diametrā un 2 um garumā. Prokariotus ieskauj šūnas siena, kas sastāv galvenokārt no polisaharīdiem un peptīdiem.

Baktēriju šūnas siena ir ļoti svarīga īpašība, un atkarībā no tās struktūras tā ļauj izveidot klasifikācijas sistēmu divās lielās grupās: grampozitīvas un gramnegatīvas baktērijas.

Sekojot šūnas sienai, mēs atrodam lipīdu rakstura membrānu (kopīgu elementu starp prokariotiem un eikariotiem) ar tajā iestrādātām protezēšanas elementu virkni, kas atdala organismu no apkārtējās vides.

DNS ir apļveida molekula, kas atrodas noteiktā reģionā, kurai nav nekāda veida membrānas vai atdalīšanas ar citoplazmu.

Citoplazmai ir aptuvens izskats un tai ir aptuveni 3000 ribosomu - struktūru, kas atbild par olbaltumvielu sintēzi.

Prokariotu veidi

Pašreizējos prokariotus veido plaša baktēriju daudzveidība, kas ir sadalīta divos lielos domēnos: eubakterijas un arhebaktērijas. Saskaņā ar pierādījumiem, šķiet, ka šīs grupas ir ļoti atšķirīgas evolūcijas laikā.

Arhebaktērijas ir prokariotu grupa, kas parasti dzīvo vidē ar neparastiem apstākļiem, piemēram, temperatūru vai augstu sāļumu. Šie apstākļi mūsdienās ir reti sastopami, taču, iespējams, tie bija izplatīti jau agrā zemē.

Piemēram, termoacidofili dzīvo apgabalos, kur temperatūra sasniedz maksimāli 80 ° C un pH 2.

Eubakterijas savukārt dzīvo vidē, kas ir kopīga mums, cilvēkiem. Viņi var apdzīvot augsni, ūdeni vai dzīvot citos organismos, piemēram, baktērijās, kas ir daļa no mūsu gremošanas trakta.

Prokariotu morfoloģija

Baktērijas ir ļoti dažādu un neviendabīgu morfoloģiju virknē. Starp visizplatītākajiem mums ir noapaļoti, ko sauc par kokosriekstiem. Tie var notikt atsevišķi, pa pāriem, ķēdē, tetrados utt.

Dažas baktērijas ir morfoloģiski līdzīgas stienim un tiek sauktas par baciļiem. Tāpat kā kokosrieksti, tos var atrast dažādos veidos ar vairākiem indivīdiem. Mēs atrodam arī spirāles formas spirochetes un tādas, kurām ir komats vai graudu forma, ko sauc par vibrios.

Katra no šīm aprakstītajām morfoloģijām dažādās sugās var atšķirties - piemēram, viens bacilis var būt garenāks par otru vai ar vairāk noapaļotām malām - un ir noderīgs, identificējot sugas.

Pavairošana

Aseksuāla reprodukcija

Reprodukcija baktērijās ir aseksuāla un notiek ar bināras dalīšanās palīdzību. Šajā procesā organisms burtiski "sadalās divās daļās", iegūstot sākotnējā organisma klonus. Lai tas notiktu, ir jābūt pieejamiem pietiekamiem resursiem.

Process ir samērā vienkāršs: riņķveida DNS atkārtojas, veidojot divas identiskas dubultās heliklas. Vēlāk ģenētiskais materiāls tiek ievietots šūnas membrānā, un šūna sāk augt, līdz tā izmēri dubultojas. Šūna galu galā sadalās, un katrai iegūtajai daļai ir apaļa DNS kopija.

Dažās baktērijās šūnas var sadalīt materiālu un augt, bet tās pilnībā nesadalās un veido sava veida ķēdi.

Papildu ģenētiskās mainības avoti

Starp baktērijām notiek gēnu apmaiņas notikumi, kas ļauj veikt ģenētisko pārnešanu un rekombināciju - procesu, kas līdzīgs tam, ko mēs zinām kā seksuālu reprodukciju. Šie mehānismi ir konjugācija, transformācija un transdukcija.

Konjugācija sastāv no ģenētiskā materiāla apmaiņas starp divām baktērijām caur struktūru, kas līdzīga smalkiem matiem, ko sauc par pili vai fimbriae, un tas darbojas kā “tilts”. Šajā gadījumā starp abām personām jābūt fiziskai tuvībai.

Transformācija ir saistīta ar vidē atrodamo neapbruņoto DNS fragmentu ņemšanu. Tas ir, šajā procesā otra organisma klātbūtne nav nepieciešama.

Visbeidzot, mums ir tulkošana, kurā baktērija iegūst ģenētisko materiālu caur vektoru, piemēram, bakteriofāgi (vīrusi, kas inficē baktērijas).

Uzturs

Baktērijām ir vajadzīgas vielas, kas garantē to izdzīvošanu un dod tām enerģiju, kas nepieciešama šūnu procesiem. Šūna uzņems šīs barības vielas absorbcijas ceļā.

Kopumā mēs varam klasificēt barības vielas kā būtiskas vai pamata (ūdens, oglekļa avoti un slāpekļa savienojumi), sekundāros (piemēram, dažus jonus: kāliju un magniju) un mikroelementus, kas nepieciešami minimālā koncentrācijā (dzelzs, kobalts).

Dažām baktērijām nepieciešami īpaši augšanas faktori, piemēram, vitamīni un aminoskābes un stimulējoši faktori, kas, kaut arī nav nepieciešami, palīdz augšanas procesā.

Baktēriju barības prasības ir ļoti atšķirīgas, taču viņu zināšanas ir vajadzīgas, lai varētu sagatavot efektīvus barotnes, lai nodrošinātu interesējošā organisma augšanu.

Uztura kategorijas

Baktērijas var klasificēt pēc oglekļa avota, kuru tās izmanto, vai nu organiskas, vai neorganiskas, un atkarībā no enerģijas ražošanas avota.

Saskaņā ar oglekļa avotu mums ir divas grupas: autotrofos vai litotrofos tiek izmantots oglekļa dioksīds un heterotrofos vai organotrofos, kuriem nepieciešams organiskā oglekļa avots.

Enerģijas avota gadījumā mums ir arī divas kategorijas: fototrofi, kas izmanto saules enerģiju, vai starojuma enerģija, un kemotrofi, kas ir atkarīgi no ķīmisko reakciju enerģijas. Tādējādi, apvienojot abas kategorijas, baktērijas var iedalīt:

Fotoautotrofi

Viņi iegūst enerģiju no saules gaismas - tas nozīmē, ka tie ir fotosintētiski aktīvi -, un to oglekļa avots ir oglekļa dioksīds.

Fotoheterotrofi

Viņi spēj izmantot izstarojošo enerģiju to attīstībai, bet nespēj iekļaut oglekļa dioksīdu. Tāpēc viņi izmanto citus oglekļa avotus, piemēram, spirtus, taukskābes, organiskās skābes un ogļhidrātus.

Chemoautotrofi

Viņi iegūst enerģiju no ķīmiskām reakcijām un spēj iekļaut oglekļa dioksīdu.

Chemoheterotrofi

Viņi izmanto enerģiju no ķīmiskām reakcijām, un oglekli iegūst no organiskiem savienojumiem, piemēram, glikozes, kas ir visvairāk izmantotā, lipīdu un arī olbaltumvielu. Ņemiet vērā, ka enerģijas avots un oglekļa avots ir vienādi abos gadījumos, tāpēc ir grūti atšķirt tos divus.

Parasti mikroorganismi, kurus uzskata par cilvēku patogēniem, pieder pie pēdējās kategorijas un kā oglekļa avotu izmanto aminoskābes un lipīdu savienojumus no saviem saimniekiem.

Vielmaiņa

Metabolisms ietver visas sarežģītās, fermentu katalizētās ķīmiskās reakcijas, kas notiek organismā tā, lai tas varētu attīstīties un vairoties.

Baktērijās šīs reakcijas neatšķiras no pamatprocesiem, kas notiek sarežģītākos organismos. Faktiski mums ir vairāki ceļi, kurus vieno abas organismu līnijas, piemēram, glikolīze.

Metabolisma reakcijas iedala divās lielās grupās: biosintēze vai anaboliskās reakcijas un sadalīšanās vai kataboliskās reakcijas, kas notiek, lai iegūtu ķīmisku enerģiju.

Kataboliskās reakcijas izdala enerģiju sadalītā veidā, ko ķermenis izmanto savu sastāvdaļu biosintēzei.

Fundamentālās atšķirības no eikariotu šūnām

Prokarioti no prokariotiem atšķiras galvenokārt ar šūnas strukturālo sarežģītību un procesiem, kas tajā notiek. Zemāk mēs aprakstīsim galvenās atšķirības starp abām līnijām:

Izmērs un sarežģītība

Kopumā prokariotu šūnas ir mazākas nekā eikariotu šūnas. Pirmajiem ir diametrs no 1 līdz 3 µm pretstatā eikariotu šūnai, kas var sasniegt 100 µm. Tomēr ir daži izņēmumi.

Lai arī prokariotu organismi ir vienšūnas un mēs tos nevaram novērot ar neapbruņotu aci (ja vien mēs, piemēram, nenovērojam baktēriju kolonijas), mēs nedrīkstam izmantot raksturlielumus, lai atšķirtu abas grupas. Eukariotos mēs atrodam arī vienšūnas organismus.

Faktiski viena no vissarežģītākajām šūnām ir vienšūnu eikarioti, jo tām jāsatur visas to attīstībai nepieciešamās struktūras, kas norobežotas šūnu membrānā. Ievērojami piemēri ir paramecium un Trypanosoma ģints.

No otras puses, ir ļoti sarežģīti prokarioti, piemēram, zilaļģes (prokariotu grupa, kurā notika fotosintētisko reakciju evolūcija).

Core

Vārds "prokariots" attiecas uz kodola neesamību (pro = pirms; karions = kodols), kamēr eikariotiem ir īsts kodols (eu = patiess). Tādējādi šīs divas grupas atdala šī svarīgā organelle klātbūtne.

Prokariotos ģenētiskais materiāls tiek atrasts izplatīts noteiktā šūnas reģionā, ko sauc par nukleoīdu - un tas nav īsts kodols, jo to neierobežo lipīdu membrāna.

Eikariotiem ir noteikts kodols, un tos ieskauj dubultā membrāna. Šī struktūra ir ārkārtīgi sarežģīta, tā iekšpusē ir redzamas dažādas zonas, piemēram, kodols. Turklāt šī organelle var mijiedarboties ar šūnas iekšējo vidi, pateicoties kodola poru klātbūtnei.

Ģenētiskā materiāla organizācija

Prokarioti savā DNS satur no 0,6 līdz 5 miljoniem bāzes pāru, un tiek lēsts, ka tie var kodēt līdz 5000 dažādu olbaltumvielu.

Prokariotu gēni organizējas vienībās, kuras sauc par operoniem - tāpat kā plaši pazīstamais laktozes operons -, kamēr eikariotu gēni to nedara.

Gēnos mēs varam atšķirt divus "reģionus": intronus un eksonus. Pirmie ir porcijas, kas nekodē olbaltumvielas un pārtrauc kodēšanas reģionus, ko sauc par eksoniem. Introni ir izplatīti eikariotu gēnos, bet ne prokariotos.

Prokarioti parasti ir haploīdi (viena ģenētiska slodze), un eikariotiem ir gan haploīdi, gan poliploīdi. Piemēram, mēs, cilvēki, esam diploīdi. Tāpat prokariotiem ir viena hromosoma un eikariotiem ir vairāk nekā viens.

Ģenētiskā materiāla sablīvēšana

Šūnas kodolā eikarioti uzrāda sarežģītu DNS organizāciju. Gara (apmēram divus metrus gara) DNS ķēde ir spējīga sagriezties tādā veidā, ka tā var integrēties kodolā, un dalīšanas procesu laikā to var vizualizēt mikroskopā hromosomu formā.

Šis DNS sablīvēšanas process ietver virkni olbaltumvielu, kas spēj saistīties ar virkni un veido struktūras, kas atgādina pērļu kaklarotu, kur virkni attēlo DNS, bet pērlītes - pērles. Šīs olbaltumvielas sauc par histoniem.

Histoni visā evolūcijas laikā ir plaši saglabājušies. Citiem vārdiem sakot, mūsu histoni ir neticami līdzīgi peles vai arī tālāk par kukaiņiem. Strukturāli tiem ir liels skaits pozitīvi lādētu aminoskābju, kas mijiedarbojas ar DNS negatīvajiem lādiņiem.

Prokariotos ir atrasti daži proteīni, kas ir homologiski histoniem un kurus parasti sauc par histoniem līdzīgiem. Šīs olbaltumvielas veicina gēnu ekspresijas, rekombinācijas un DNS replikācijas kontroli un, tāpat kā histoni eikariotos, piedalās nukleoīda organizācijā.

Organelles

Eikariotu šūnās var identificēt virkni ļoti sarežģītu subcelulāru nodalījumu, kas veic īpašas funkcijas.

Visatbilstošākie ir mitohondriji, kas ir atbildīgi par šūnu elpošanas un ATP veidošanās procesiem, un augos izceļas hloroplasti ar savu trīs membrānu sistēmu un ar mehānismiem, kas nepieciešami fotosintēzei.

Tāpat, cita starpā, mums ir Golgi komplekss, gluds un raupjš endoplazmatisks retikulums, vakuoli, lizosomas, peroksisomas.

Ribosomu struktūra

Ribosomas

Ribosomas satur olbaltumvielu sintēzei nepieciešamās iekārtas, tāpēc tām jābūt klāt gan eikariotos, gan prokariotos. Lai arī tā ir neaizstājama struktūra abiem, tā galvenokārt atšķiras pēc lieluma.

Ribosomas veido divas apakšvienības: liela un maza. Katru apakšvienību identificē ar parametru, ko sauc par sedimentācijas koeficientu.

Prokariotos lielā apakšvienība ir 50S, bet mazā - 30S. Visu struktūru sauc par 70S. Ribosomas ir izkaisītas visā citoplazmā, kur tās veic savus uzdevumus.

Eikariotiem ir lielākas ribosomas, lielajai apakšvienībai ir 60S, mazajai apakšvienībai ir 40S, un visa ribosoma tiek apzīmēta kā 80S. Tie atrodas galvenokārt noenkuroti raupjā endoplazmatiskā retikulumā.

Šūnu siena

Šūnas siena ir būtisks elements, lai saskartos ar osmotisko stresu, un tā kalpo kā aizsargbarjera pret iespējamiem bojājumiem. Gandrīz visiem prokariotiem un dažām eikariotu grupām ir šūnas siena. Atšķirība slēpjas tās ķīmiskajā dabā.

Baktēriju siena sastāv no peptidoglikāna, polimēra, kas sastāv no diviem struktūras elementiem: N-acetilglikozamīna un N-acetilmuramīnskābes, kas savienoti kopā ar β-1,4 tipa saitēm.

Eukariotu ciltsrakstā ir arī sienas šūnas, galvenokārt dažās sēnēs un visos augos. Bagātīgākais savienojums sēnīšu sienā ir hitīns, un augos tas ir celuloze, polimērs, kas sastāv no daudzām glikozes vienībām.

Šūnu dalīšana

Kā jau iepriekš tika runāts, prokarioti dalās ar bināru dalīšanos. Eikariotiem ir sarežģīta dalīšanas sistēma, kas ietver dažādus kodolu dalīšanas posmus - vai nu mitozi, vai meiozi.

Filoģenēze un klasifikācija

Parasti mēs esam pieraduši sugas definēt saskaņā ar bioloģisko koncepciju, ko 1989. gadā ierosināja E. Mairs: “krustojošos dabisko populāciju grupas, kas ir reproduktīvi izolētas no citām grupām”.

Šo jēdzienu nav iespējams piemērot aseksuālām sugām, kā tas ir prokariotu gadījumā. Tāpēc, lai klasificētu šos organismus, ir jābūt vēl vienam veidam, kā tuvināties sugas jēdzienam.

Saskaņā ar Rosselló-Mora et al. (2011), filofenētiskais jēdziens labi saskan ar šo ciltsrakstu: “monofītisks un ģenētiski saskanīgs atsevišķu organismu kopums, kam piemīt augsta vispārējās līdzības pakāpe daudzās neatkarīgās pazīmēs un kurš ir diagnosticējams ar diskriminējošu fenotipisko īpašību”.

Iepriekš visi prokarioti tika klasificēti vienā "domēnā", līdz Karls Voiss ierosināja, ka dzīvības kokam vajadzētu būt trim galvenajiem zariem. Pēc šīs klasifikācijas prokarioti ietver divus domēnus: Archaea un baktērijas.

Baktērijās mēs atrodam piecas grupas: proteobaktērijas, hlamīdijas, zilaļģes spirochetes un grampozitīvas baktērijas. Līdzīgi mums ir četras galvenās archaea grupas: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard un DPANN Group.

Jaunas atziņas

Viens no bioloģijā visizplatītākajiem jēdzieniem ir prokariotu citozola vienkāršība. Tomēr jauni pierādījumi liecina, ka prokariotu šūnās ir iespējama organizācija. Pašlaik zinātnieki mēģina izjaukt dogmu par organellu, citoskeleta un citu īpašību neesamību šajā vienšūnu ciltsrakstā.

Organelles prokariotos

Šī ļoti jaunā un pretrunīgi vērtētā priekšlikuma autori apgalvo, ka eikariotu šūnās ir sadalīšanas līmeņi, galvenokārt struktūrās, kuras norobežo olbaltumvielas un intracelulārie lipīdi.

Pēc šīs idejas aizstāvju domām, organelle ir nodalījums, ko ieskauj bioloģiska membrāna ar īpašu bioķīmisku funkciju. Starp šiem "organelliem", kas atbilst šai definīcijai, cita starpā ir lipīdu ķermeņi, karboksigrupi, gāzes vakuoli.

Magnetosomas

Viens no aizraujošākajiem baktēriju nodalījumiem ir magnetosomas. Šīs struktūras ir saistītas ar noteiktu baktēriju - piemēram, Magnetospirillum vai Magnetococcus - spēju izmantot magnētiskos laukus orientācijai.

Strukturāli tie ir mazs 50 nanometru korpuss, ko ieskauj lipīdu membrāna, kura iekšpusi veido magnētiski minerāli.

Fotosintētiskās membrānas

Turklāt dažiem prokariotiem ir "fotosintēzes membrānas", kas ir visvairāk izpētītie nodalījumi šajos organismos.

Šīs sistēmas darbojas, lai palielinātu fotosintēzes efektivitāti, palielinot pieejamo fotosintētisko olbaltumvielu skaitu un maksimāli palielinot membrānu virsmu, kas ir pakļauta gaismai.

Nodalījumi

Nav bijis iespējams izsekot ticamam evolūcijas ceļam no šiem iepriekšminētajiem nodalījumiem līdz ļoti sarežģītajiem eikariotu organelliem.

Tomēr Planktomycetes ģints iekšpusē ir virkne nodalījumu, kas atgādina pašas organelles un ko var ierosināt kā eikariotu baktēriju priekšteci. Pirellula ģintī ir hromosomas un ribosomas, ko ieskauj bioloģiskās membrānas.

Citoskeleta sastāvdaļas

Līdzīgi ir daži proteīni, kas vēsturiski tika uzskatīti par unikāliem tikai ar eikariotiem, ieskaitot būtiskos pavedienus, kas ir daļa no citoskeleta: tubulīnu, aktīnu un starpposma pavedienus.

Jaunākajos pētījumos ir izdevies identificēt olbaltumvielas, kas ir homoloģiskas tubulīnam (FtsZ, BtuA, BtuB un citi), aktīnam (MreB un Mb1) un starpposma pavedieniem (CfoA).

Atsauces

1. Kūpers, GM (2000). Šūna: molekulārā pieeja. Sinauer Associates.
2. Dorman, CJ, & Deighan, P. (2003). Gēnu ekspresijas regulēšana baktērijās ar histoniem līdzīgiem proteīniem. Pašreizējais atzinums ģenētikā un attīstībā, 13. (2), 179. – 184.
3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Prokariotu šūnas slēptā puse: mikrobiālās pasaules atkārtota atklāšana. Starptautiskā mikrobioloģija, 10 (3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Prokariotu organoīdu šūnu bioloģija. Aukstā pavasara ostas perspektīvas bioloģijā, a000422.
5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Prokariotu sugas jēdziens. FEMS mikrobioloģijas pārskati, 25. panta 1. punkts, 39. – 67.
6. Slesarev, AI, Belova, GI, Kozyavkin, SA, & Lake, JA (1998). Pierādījumi par H2A un H4 histonu agrīnu prokariotu izcelsmi pirms eikariotu parādīšanās. Nukleīnskābju izpēte, 26 (2), 427-430.
7. Souza, WD (2012). Prokariotu šūnas: citoskeleta un organellu strukturālā organizācija. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 107. (3), 283. – 293.