Клетки являются фундаментальными единицами жизни, и, как таковые, они представляют собой наименьшие отдельные элементы живых существ, которые сохраняют все ключевые свойства, связанные с живыми существами, включая метаболизм, способность к размножению и средства поддержания химического баланса. Клетки являются либо прокариотическими, термин, относящийся к бактериям и небольшому количеству одноклеточных организмов, либо эукариотическими, который 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, имеют некоторые особенности, которых нет у эукариотических клеток, особенно клеточную стенку.

Клеточная основа

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 (ответ растений на митохондрии), тела 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 около 1,5 млрд. Для 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 целый ряд 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, вызываемые видами стрептококков, которые, как следует из названия, являются круглыми, как и стафилококки. Сибирская язва вызывается крупной 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 могут, в отличие от вирусов, жить независимо от других организмов и не зависят от других живых организмов для метаболических или репродуктивных потребностей. Исключения, однако, существуют; некоторые виды Rickettsiae и Chlamydiae являются обязательно внутриклеточными, что означает, что у них нет другого выбора, кроме как обитать в клетках живых существ, чтобы выжить.

Отсутствие ядра у бактериальных клеток является причиной, по которой прокариотические клетки изначально отличались от эукариотических клеток, поскольку это различие проявляется даже под микроскопами с относительно небольшой степенью увеличения. Бактериальная ДНК, хотя 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 эукарирот, или хроматина, растянется примерно до 1 миллиметра, в то время как бактерии будут простираться примерно на 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 (соединений азота) и ионов магния, связанных с ней.

Бактериальная клеточная стенка

Возможно, наиболее очевидным структурным различием между бактериальными клетками и другими клетками является тот факт, что бактерии обладают клеточными стенками. Эти стенки, состоящие из молекул пептидогликана, лежат непосредственно за пределами клеточной мембраны, которую имеют клетки 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, проектирование или обнаружение веществ, которые являются токсичными для клеточных стенок, в то же время щадя другие клеточные компоненты. На самом деле, именно так действуют многие антибиотики: они воздействуют на клеточные стенки бактерий и разрушают их, в результате убивая бактерии. Пенициллины, появившиеся в начале 1940-х годов как первый класс антибиотиков, действуют путем ингибирования синтеза 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 (единственное число: жгутик) представляют собой 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, что позволяет бактериям «гоняться» за питательными веществами, «убегать» от токсичных химикатов или двигаться к свету (некоторые бактерии, называемые цианобактериями, зависят от фотосинтеза, как растения, и поэтому требуют регулярного воздействия свет).

Пили (единственное число: пилус) 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 предлагают «липкость» бактериям так, как характерные раковины моллюсков позволяют этим организмам прилипать к камням. Без пили многие патогенные (то есть вызывающие заболевание) бактерии не являются инфекционными, поскольку они не могут прилипать к тканям хозяина. Специализированный тип пили используются для процесса, называемого конъюгацией, в которой две бактерии обмениваются частями ДНК.

Довольно дьявольским конструктом некоторых бактерий являются эндоспоры. Виды Bacillus и Clostridium могут продуцировать эти споры, которые являются высоко термостойкими, 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 эндоспорой Clostridium botulinum, которая выделяет смертельное вещество, называемое эндотоксином.

Бактериальная репродукция

Бактерии производятся в процессе, называемом бинарным делением, что означает просто деление 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 служат жизненно важным метаболическим функциям, тогда одного типа биологического противника будет 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, что делает они не могут употреблять 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 благоприятные воздействия естественного отбора. 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 10 процентов представляют 100 процентов выживших организмов этого вида.

В результате бактерии разработали ряд методов для обеспечения генетического разнообразия. К ним относятся преобразование, сопряжение и преобразование. 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 E. coli (потому что у этого вида небольшой, простой геном, которым легко манипулировать), чтобы изучить эти организмы или создать желаемый бактериальный продукт. Часто вводимая ДНК происходит из плазмиды, естественного кольца бактериальной ДНК.

Конъюгация - это процесс, при котором одна бактерия использует пилус или пили, чтобы «впрыснуть» ДНК во вторую бактерию через прямой контакт. Передаваемая ДНК может, как и при искусственном преобразовании, представлять собой плазмиду или другой фрагмент. 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.