Sisu
- Rakkude põhitõed
- Bakterirakkude praimer
- Bakterite rakusein
- Flagella, Pili ja Endospoorid
- Bakterite paljunemine
Rakud on elu põhiosad ja sellisena on elusate asjade kõige väiksemad eristatavad elemendid, millel on kõik elusate asjadega seotud peamised omadused, sealhulgas ainevahetus, paljunemisvõime ja vahend keemilise tasakaalu säilitamiseks. Rakud on kas prokarüootiline, bakteritele viitav termin ja üherakuliste organismide lagunemine või eukarüootne, mis viitab taimedele, seentele ja loomadele.
Bakteriaalsed ja muud prokarüootsed rakud on peaaegu igas mõttes palju lihtsamad kui nende eukarüootsed. Kõik rakud sisaldavad vähemalt plasmamembraani, tsütoplasmat ja geneetilist materjali DNA kujul. Kui eukarüootsetel rakkudel on lisaks nendele olulistele elementidele ka mitmesuguseid elemente, moodustavad need kolm asja peaaegu kogu bakteriraku. Bakteriaalsed rakud sisaldavad siiski mõnda tunnust, mida eukarüootsed rakud ei oma, eriti raku seina.
Rakkude põhitõed
Ühel eukarüootsel organismil võib olla triljoneid rakke, ehkki pärm on üherakuline; bakterirakkudes seevastu on ainult üks rakk. Kui eukarüootsed rakud hõlmavad mitmesuguseid membraaniga seotud organellid, nagu tuum, mitokondrid (loomadel), kloroplastid (taimed reageerivad mitokondritele), Golgi kehad, endoplasmaatiline retikulum ja lüsosoomid, siis bakterirakkudel puuduvad organellid. Nii eukarüootides kui ka prokarüootides on ribosoomid, valgu sünteesi eest vastutavad pisikesed struktuurid, kuid need on eukarüootides tavaliselt hõlpsamini visualiseeritavad, kuna nii paljud neist kobestavad piki lineaarset, linditaolist endoplasmaatilist retikulumit.
Bakterirakke ja baktereid endid on lihtne pidada "primitiivseteks", seda nii nende suurema evolutsiooniea (umbes 3,5 miljardit aastat, prokarüootide puhul umbes 1,5 miljardit) kui ka lihtsuse tõttu. See on eksitav mitmel põhjusel. Üks on see, et liikide püsimajäämise seisukohast ei tähenda keerulisem tingimata tugevamat; suure tõenäosusega ületavad bakterid rühmana inimesi ja teisi "kõrgemaid" organisme, kui tingimused Maal piisavalt muutuvad. Teine põhjus on see, et bakterirakud, ehkki lihtsad, on välja töötanud mitmesuguseid tõhusaid ellujäämismehhanisme, mida eukarüootidel pole.
Bakterirakkude praimer
Bakterirakud on kolme põhikujulise kujuga: vardakujulised (batsillid), ümarad (cocci) ja spiraalikujulised (spirilli). Need bakterirakkude morfoloogilised omadused võivad olla kasulikud teadaolevate bakterite põhjustatud nakkushaiguste diagnoosimisel. Näiteks on "STREP kurgus" põhjustatud liigid Streptokokid, mis, nagu nimigi viitab, on ümmargused Stafülokokid. Siberi katku põhjustab suur bacillus ja Borrelioosi põhjustab spiraalikujuline spirochete. Lisaks üksikute rakkude erinevale kujule leidub bakterirakke ka klastrites, mille struktuur varieerub sõltuvalt asjaomastest liikidest. Mõned vardad ja kokad kasvavad pikkade ahelatena, samas kui teisi kooke leidub klastrites, mis mõnevõrra meenutavad üksikute rakkude kuju.
Enamik bakterirakke võivad erinevalt viirustest elada teistest organismidest sõltumatult ega sõltu metaboolsetest või reproduktiivsetest vajadustest muude elusolendite suhtes. Erandid siiski olemas; mõned liikid Rickettsiae ja Chlamydiae on tingimata rakusisesed, mis tähendab, et neil pole muud võimalust, kui elada elusolendite rakke.
Bakterirakudes tuuma puudumine on põhjus, miks prokarüootilisi rakke eristati algselt eukarüootsetest rakkudest, kuna see erinevus ilmneb isegi suhteliselt suure suurendusega mikroskoopide korral. Bakteriaalne DNA, kuigi see pole ümbritsetud tuumamembraaniga nagu eukarüootid, kipub see siiski tihedalt klastriseeruma ja saadud karedat moodustumist nimetatakse nukleoidiks. Bakterirakkudes on üldiselt palju DNA-d kui eukarüootsetes rakkudes; kui see venitatakse otsast lõpuni, ulatuks tüüpilise eukarüootide geneetilise materjali ehk kromatiini üks eksemplar umbes 1 millimeetrini, samal ajal kui bakteri oma oleks umbes 1 kuni 2 mikromeetrit - erinevus 500–1000-kordne. Eukarüootide geneetiline materjal sisaldab nii DNA ennast kui ka valke, mida nimetatakse histoonideks, samas kui prokarüootses DNA-s on sellega seotud paar polüamiini (lämmastikuühendid) ja magneesiumiioone.
Bakterite rakusein
Võib-olla on kõige ilmsemaks erinevuseks bakteriraku ja teiste rakkude vahel asjaolu, et bakteritel on rakuseinad. Need seinad, mis on valmistatud peptidoglükaan molekulid asuvad väljaspool rakumembraani, mida igat tüüpi rakud iseloomustavad. Peptidoglükaanid koosnevad polüsahhariidsete suhkrute ja valgukomponentide kombinatsioonist; nende peamine ülesanne on kaitsta baktereid kaitse ja jäikusega ning pakkuda kinnituspunkti sellistele struktuuridele nagu pili ja flagella, mis pärinevad rakumembraanist ja ulatuvad läbi rakuseina väliskeskkonda.
Kui te oleksite möödunud sajandil tegutsenud mikrobioloog ja soovite luua ravimit, mis on ohtlik bakterirakudele, kuid on enamasti inimrakkudele kahjutu, ja kui teil oleks teadmisi nende organismide raku koostise vastavatest struktuuridest, võiksite seda teha, kavandades või raku seintele mürgiste ainete leidmine, hoides samal ajal raku teisi komponente. Tegelikult just see, kuidas töötab palju antibiootikume: need sihivad ja hävitavad bakterite rakuseinu, tappes selle tagajärjel bakterid. Penitsilliinid, mis tekkis 1940. aastate alguses kui esimene klass antibiootikume, pärsib peptidoglükaanide sünteesi, mis moodustavad mõne, kuid mitte kõigi bakterite rakuseinu. Nad teevad seda inaktiveerides ensüümi, mis katalüüsib protsessi, mida nimetatakse ristsidumiseks tundlikes bakterites. Aastate jooksul on antibiootikumide manustamine valinud bakterid, mis tekitavad beeta-laktamaasideks kutsutavaid aineid, mis on suunatud "sissetungijate" penitsilliinidele. Seega jääb antibiootikumide ja nende pisikeste, haigusi põhjustavate sihtmärkide vahel kehtima pikaajaline ja lõputu võidurelvastumine.
Flagella, Pili ja Endospoorid
Mõnel bakteril on välised struktuurid, mis abistavad baktereid nende füüsilises maailmas liikumisel. Näiteks, flagella (ainsuses: flagellum) on piitsataolised manused, mis pakuvad neid valdavate bakterite liikumiseks sarnaselt jugaputkedele. Mõnikord leitakse neid bakteriraku ühes otsas; mõnel bakteril on need mõlemas otsas. Flagella "peksab" samamoodi nagu propeller, võimaldades bakteritel "jälitada" toitaineid, "põgeneda" mürgiste kemikaalide eest või liikuda valguse poole (mõned bakterid, mida nimetatakse sinivetikad, tuginevad fotosünteesile energia saamiseks nagu taimed ja nõuavad seega regulaarset kokkupuudet valgusega).
Pili (ainsuses: pilus) on struktuurilt sarnased flagella'ga, kuna need on juuksekujulised väljaulatuvad osad, mis ulatuvad välja bakteriraku pinnast. Nende funktsioon on siiski erinev. Liikuvusele kaasaaitamise asemel aitavad pili bakterid kinnituda teiste rakkude ja mitmesuguste kompositsioonide pindadega, sealhulgas kivimite, soolestiku ja isegi hammaste emailiga. Teisisõnu pakuvad nad bakteritele "kleepuvat" viisil, nagu vikerkaare iseloomulikud kestad võimaldavad neil organismidel kivimite külge kleepuda. Ilma piliita pole paljud patogeensed (s.o haigusi põhjustavad) bakterid nakkavad, kuna nad ei saa peremeeskudedesse kinni jääda. Protsessis, mida nimetatakse, kasutatakse spetsiaalset tüüpi pilisid konjugatsioon, milles kaks bakterit vahetavad osa DNA-st.
Teatud bakterite üsna kuratlik konstruktsioon on endospoorid. Bacillus ja Clostridium liigid võivad toota neid eoseid, mis on rakkude sees tekkivate normaalsete bakterirakkude väga kuumuskindlad, veetustatud ja inaktiivsed versioonid. Need sisaldavad oma täielikku genoomi ja kõiki metaboolseid ensüüme. Endospoori põhijooneks on keeruline kaitsev spoorikate. Haiguse botulismi põhjustajaks on a Clostridium botulinum endospoor, mis eritab surmavat ainet, mida nimetatakse endotoksiiniks.
Bakterite paljunemine
Bakterid tekivad protsessil, mida nimetatakse binaarseks lõhustumiseks, mis tähendab lihtsalt pooleks jagamist ja rakkude paari loomist, mis on geneetiliselt identsed lähterakuga. See aseksuaalne paljunemisviis on teravas kontrastis eukarüootide paljunemisega, mis on seksuaalne, kuna hõlmab kahte vanemorganismi, kes annavad järglaste saamiseks võrdses koguses geneetilist materjali. Ehkki seksuaalne taastootmine pinnal võib tunduda tülikas - miks ikkagi juurutada see energeetiliselt kulukas samm, kui rakud saavad selle asemel lihtsalt pooleks jagada? - see on geneetilise mitmekesisuse täielik tagatis ja selline mitmekesisus on liikide ellujäämiseks hädavajalik.
Mõelge sellele: kui iga inimene oleks geneetiliselt identne või isegi lähedane, eriti ensüümide ja valkude tasemel, mida te ei näe, kuid mis täidavad olulisi metaboolseid funktsioone, siis piisab kogu inimkonna potentsiaalsest hävitamisest ühest bioloogilisest vastandist. . Te teate juba, et inimestel on geneetiline tundlikkus teatud asjade suhtes erinev, alates peamistest (mõned inimesed võivad surra kokkupuutel väikeste allergeenide, sealhulgas maapähklite ja mesilasmürgiga) kuni suhteliselt tühise (mõned inimesed ei saa suhkrulaktaasi seedida, muutes nad ei saa piimatooteid tarbida ilma seedetrakti tõsiste häireteta). Liik, millel on suur geneetiline mitmekesisus, on suures osas väljasuremise eest kaitstud, kuna see mitmekesisus pakub toorainet, millele soodsad loodusliku selektsiooni surved võivad mõjuda. Kui juhtub, et 10 protsenti antud liigi populatsioonist on immuunsed teatud viiruse vastu, mida see liik pole veel kogenud, on see pelk veidrus. Teisest küljest, kui viirus avaldub selles populatsioonis, ei pruugi see juhtuda kaua enne, kui see juhtub, esindab 10 protsenti selle liigi elusorganismidest 100 protsenti.
Selle tulemusel on bakterid välja töötanud mitmeid meetodeid geneetilise mitmekesisuse tagamiseks. Need sisaldavad transformatsioon, konjugatsioon ja transduktsioon. Mitte kõik bakterirakud ei saa kõiki neid protsesse kasutada, kuid nende vahel võimaldavad nad kõigil bakteriliikidel ellu jääda palju suuremal määral, kui nad muidu teeksid.
Transformatsioon on DNA keskkonnast eraldamise protsess ja see jaguneb looduslikeks ja tehislikeks vormideks. Loodusliku muundamise käigus internaliseeritakse surnud bakterite DNA rakumembraani kaudu, püüdja stiilis ja inkorporeeritakse ellujäänud bakterite DNA-sse. Kunstliku muundamise käigus sisestavad teadlased DNA tahtlikult peremeesbakterisse E. coli (kuna sellel liigil on väike lihtne genoom, mida saab hõlpsalt manipuleerida), et uurida neid organisme või luua soovitud bakterisaadus. Sageli on sissetoodud DNA pärit a-st plasmiid, looduslikult esinev bakteriaalse DNA tsükkel.
Konjugeerimine on protsess, mille käigus üks bakter kasutab pilooni või piliike DNA otse teise kontakti kaudu teise bakterisse süstimiseks. Edastatud DNA võib, nagu ka kunstliku muundamise korral, olla plasmiid või see võib olla erinev fragment. Uuendatud DNA võib sisaldada elutähtsat geeni, mis kodeerib valke, võimaldades antibiootikumiresistentsust.
Lõpuks sõltub transduktsioon sissetungiva viiruse, mida nimetatakse bakteriofaagiks, olemasolust. Viirused replitseeruvad elusrakkudele, kuna kuigi neil on geneetiline materjal, puuduvad neil seadmed selle koopiate tegemiseks. Need bakteriofaagid paigutavad nende sissetunginud bakterite DNA-sse oma geneetilise materjali ja suunavad baktereid moodustama rohkem faage, mille genoomid sisaldavad seejärel segu algsest bakteriaalsest DNA-st ja bakteriofaagide DNA-st. Kui need uued bakteriofaagid lahkuvad rakust, võivad nad tungida teistesse bakteritesse ja edastada eelmisest peremeesorganismist omandatud DNA uude bakterirakku.