Kenmerken van een bacteriecel

Inhoud

• Cell Basics
• Een bacteriële celprimer
• De bacteriële celwand
• Flagella, Pili en endosporen
• Bacteriële reproductie

Cellen zijn de fundamentele eenheden van het leven, en als zodanig zijn de kleinste afzonderlijke elementen van levende wezens die alle belangrijke eigenschappen behouden die verbonden zijn aan levende wezens, inclusief metabolisme, het vermogen om zich voort te planten en een middel om het chemische evenwicht te handhaven. Cellen zijn dat ook prokaryote, een term die verwijst naar bacteriën en een beetje eencellige organismen, of eukaryotische, wat verwijst naar planten, schimmels en dieren.

Bacteriële en andere prokaryotische cellen zijn op vrijwel alle manieren veel eenvoudiger dan hun eukaryotische tegenhangers. Alle cellen omvatten minimaal een plasmamembraan, cytoplasma en genetisch materiaal in de vorm van DNA. Hoewel eukaryote cellen een breed scala aan elementen bevatten die verder gaan dan deze essentiële elementen, zijn deze drie dingen goed voor bijna het geheel van bacteriële cellen. Bacteriële cellen bevatten echter een paar kenmerken die eukaryotische cellen niet niet hebben, met name een celwand.

Cell Basics

Een enkel eukaryotisch organisme kan triljoenen cellen bevatten, hoewel gist eencellig is; bacteriecellen hebben daarentegen slechts één cel. Terwijl eukaryotische cellen een verscheidenheid aan membraangebonden organellen omvatten, zoals de kern, mitochondria (bij dieren), chloroplasten (planten beantwoorden aan mitochondria), Golgi-lichamen, het endoplasmatisch reticulum en lysosomen, hebben bacteriecellen geen organellen. Zowel eukaryoten als prokaryoten omvatten ribosomen, de minuscule structuren die verantwoordelijk zijn voor eiwitsynthese, maar deze worden typisch gemakkelijker zichtbaar gemaakt in eukaryoten omdat zoveel van hen clusteren langs het lineaire, lintachtige endoplasmatisch reticulum.

Het is gemakkelijk om bacteriecellen en bacteriën zelf te beschouwen als 'primitief', vanwege zowel hun grotere evolutionaire leeftijd (ongeveer 3,5 miljard jaar, versus ongeveer 1,5 miljard voor prokaryoten) en hun eenvoud. Dit is echter om een ​​aantal redenen misleidend. Een daarvan is dat, vanuit het standpunt van de overleving van soorten, complexer niet noodzakelijkerwijs robuuster betekent; naar alle waarschijnlijkheid zullen bacteriën als groep de mens en andere "hogere" organismen overleven als de omstandigheden op aarde voldoende veranderen. Een tweede reden is dat bacteriecellen, hoewel eenvoudig, een aantal krachtige overlevingsmechanismen hebben ontwikkeld die eukaryoten niet hebben.

Een bacteriële celprimer

Bacteriële cellen zijn er in drie basisvormen: staafvormig (de bacillen), rond (cocci) en spiraalvormig (spirilli). Deze morfologische bacteriecelkenmerken kunnen handig zijn bij het diagnosticeren van infectieziekten veroorzaakt door bekende bacteriën. "Keelontsteking" wordt bijvoorbeeld veroorzaakt door soorten streptokokken, die, zoals de naam al aangeeft, rond zijn, zoals ze zijn Staphylococci. Anthrax wordt veroorzaakt door een grote bacil en de ziekte van Lyme wordt veroorzaakt door een spirochete, die spiraalvormig is. Naast de verschillende vormen van afzonderlijke cellen, worden bacteriecellen meestal in clusters aangetroffen, waarvan de structuur afhankelijk van de soort in kwestie varieert. Sommige staven en cocci groeien in lange ketens, terwijl bepaalde andere cocci in clusters worden gevonden die enigszins doen denken aan de vorm van individuele cellen.

De meeste bacteriecellen kunnen, in tegenstelling tot virussen, onafhankelijk van andere organismen leven en zijn niet afhankelijk van andere levende wezens voor metabolische of reproductieve behoeften. Er bestaan ​​echter uitzonderingen; sommige soorten rickettsiae en chlamydiae zijn verplicht intracellulair, wat betekent dat ze geen andere keus hebben dan de cellen van levende wezens te bewonen om te overleven.

Bacteriële cellen ontbreken van een kern is de reden waarom prokaryotische cellen oorspronkelijk werden onderscheiden van eukaryotische cellen, omdat dit verschil duidelijk is zelfs onder microscopen met een relatief lage vergrotingskracht. Bacterieel DNA, hoewel niet omgeven door een kernmembraan zoals dat van eukaryoten, heeft toch de neiging om nauw te clusteren, en de resulterende ruwe formatie wordt een nucleoïde genoemd. Over het algemeen is er aanzienlijk minder DNA in bacteriële cellen dan in eukaryotische cellen; als het volledig wordt uitgerekt, zou een enkele kopie van het typische genetische materiaal van eukaryrotes, of chromatine, zich uitstrekken tot ongeveer 1 millimeter, terwijl die van een bacterie ongeveer 1 tot 2 micrometer zou overspannen - een verschil van 500 tot 1.000 maal. Het genetische materiaal van eukaryoten omvat zowel DNA zelf als eiwitten die histonen worden genoemd, terwijl prokaryotisch DNA een paar polyamines (stikstofverbindingen) en magnesiumionen heeft.

De bacteriële celwand

Misschien wel het meest voor de hand liggende structurele verschil tussen bacteriecellen en andere cellen is het feit dat bacteriën celwanden bezitten. Deze muren, gemaakt van peptidoglycan moleculen, liggen net buiten het celmembraan, welke cellen van alle soorten kenmerken. Peptidoglycanen bestaan ​​uit een combinatie van polysacharidesuikers en eiwitcomponenten; hun belangrijkste taak is het toevoegen van bescherming en stijfheid aan de bacteriën en een verankeringspunt bieden voor structuren zoals pili en flagella, die hun oorsprong vinden in het celmembraan en zich uitstrekken door de celwand naar de externe omgeving.

Als je een microbioloog was die in een voorbije eeuw opereerde en een medicijn wilde maken dat gevaarlijk zou zijn voor bacteriële cellen, maar meestal onschadelijk voor menselijke cellen, en kennis had van de respectieve structuren van deze cellulaire samenstelling van deze organismen, zou je dit kunnen aanpakken door of het vinden van stoffen die giftig zijn voor celwanden terwijl andere celcomponenten worden gespaard. In feite is dit precies hoe veel antibiotica werken: ze richten zich op en vernietigen de celwanden van bacteriën, waardoor de bacteriën worden gedood. penicillines, die in de vroege jaren 1940 naar voren kwam als de eerste klasse van antibiotica, remt de synthese van de peptidoglycanen die de celwanden vormen van sommige, maar niet alle, bacteriën. Ze doen dit door een enzym te inactiveren dat een proces katalyseert dat verknoping in gevoelige bacteriën wordt genoemd. In de loop der jaren heeft antibiotica-toediening gekozen voor bacteriën die toevallig stoffen produceren die bèta-lactamasen worden genoemd en die zich richten op de "binnendringende" penicillines. Aldus blijft een langdurige en nooit eindigende "wapenwedloop" van kracht tussen antibiotica en hun kleine, ziekteverwekkende doelen.

Flagella, Pili en endosporen

Sommige bacteriën hebben externe structuren die de bacteriën helpen bij hun navigatie door de fysieke wereld. Bijvoorbeeld, flagella (enkelvoud: flagellum) zijn zweepachtige aanhangsels die een middel bieden voor voortbeweging voor bacteriën die ze bezitten, vergelijkbaar met die van kikkervisjes. Soms worden ze gevonden aan het ene uiteinde van een bacteriecel; sommige bacteriën hebben ze aan beide uiteinden. De flagella "klopt" net als een propeller, waardoor bacteriën voedingsstoffen kunnen "achtervolgen", "ontsnappen" aan giftige chemicaliën of naar licht kunnen bewegen (sommige bacteriën, genaamd cyanobacteriën, vertrouwen op fotosynthese voor energie zoals planten doen en vereisen daarom regelmatige blootstelling aan licht).

Pili (enkelvoud: pilus), zijn structureel vergelijkbaar met flagella, omdat het haarachtige uitsteeksels zijn die zich buiten het bacteriële celoppervlak uitstrekken. Hun functie is echter anders. In plaats van te helpen bij voortbeweging, helpen pili bacteriën zich te hechten aan andere cellen en oppervlakken van verschillende composities, waaronder rotsen, je darmen en zelfs het glazuur van je tanden. Met andere woorden, ze bieden "plakkerigheid" aan bacteriën zoals de karakteristieke schelpen van zeepokken deze organismen toestaan ​​zich aan rotsen te hechten. Zonder pili zijn veel pathogene (d.w.z. ziekmakende) bacteriën niet besmettelijk, omdat ze zich niet aan gastheerweefsels kunnen hechten. Een gespecialiseerd type pili wordt gebruikt voor een proces dat wordt genoemd conjugatie, waarin twee bacteriën delen van DNA uitwisselen.

Een nogal duivelse constructie van bepaalde bacteriën zijn endosporen. Bacil en Clostridium soorten kunnen deze sporen produceren, die zeer hittebestendig, gedehydrateerde en inactieve versies van normale bacteriecellen zijn die in de cellen worden gemaakt. Ze bevatten hun eigen complete genoom en alle metabole enzymen. Het belangrijkste kenmerk van de endospore is de complexe beschermende sporenlaag. De ziekte botulisme wordt veroorzaakt door een Clostridium botulinum endospore, die een dodelijke stof afscheidt die een endotoxine wordt genoemd.

Bacteriële reproductie

Bacteriën produceren door een proces dat binaire splijting wordt genoemd, wat eenvoudigweg betekent in tweeën te splitsen en een paar cellen te maken die elk genetisch identiek zijn aan de oudercel. Deze aseksuele reproductievorm staat in schril contrast met de reproductie van eukaryoten, die seksueel is omdat het twee ouderorganismen betreft die een even grote hoeveelheid genetisch materiaal bijdragen om een ​​nageslacht te creëren. Hoewel seksuele reproductie aan de oppervlakte omslachtig lijkt, zou je tenslotte deze energetisch dure stap moeten introduceren als cellen in plaats daarvan gewoon in twee kunnen splitsen? - het is een absolute garantie voor genetische diversiteit, en dit soort diversiteit is essentieel voor het overleven van soorten.

Denk er eens over na: als elk mens genetisch identiek of zelfs dichtbij was, vooral op het niveau van enzymen en eiwitten die je niet kunt zien maar die vitale metabole functies dienen, dan zou een enkel type biologische tegenstander voldoende zijn om de hele mensheid weg te vagen . Je weet al dat mensen verschillen in hun genetische gevoeligheid voor bepaalde dingen, van de grote (sommige mensen kunnen sterven door blootstelling aan kleine blootstelling aan allergenen, waaronder pinda's en bijengif) tot de relatief triviale (sommige mensen kunnen de suikerlactase niet verteren, waardoor ze kunnen geen zuivelproducten consumeren zonder ernstige verstoringen van hun maagdarmstelsel). Een soort die veel genetische diversiteit geniet, wordt grotendeels beschermd tegen uitsterven, omdat deze diversiteit de grondstof biedt waarop gunstige natuurlijke selectiedruk kan werken. Als 10 procent van de populatie van een bepaalde soort toevallig immuun is voor een bepaald virus dat de soort nog moet ervaren, is dit slechts een gril. Als het virus zich daarentegen in deze populatie manifesteert, zal het niet lang duren voordat dit gebeurt, 10 procent vertegenwoordigt 100 procent van de overlevende organismen in deze soort.

Als gevolg hiervan hebben bacteriën een aantal methoden ontwikkeld om genetische diversiteit te waarborgen. Deze omvatten transformatie, vervoeging en transductie. Niet alle bacteriecellen kunnen gebruik maken van al deze processen, maar tussen hen laten ze alle bacteriesoorten in een veel grotere mate overleven dan ze anders zouden doen.

Transformatie is het proces waarbij DNA uit de omgeving wordt opgenomen, en het is verdeeld in natuurlijke en kunstmatige vormen. In natuurlijke transformatie wordt DNA van dode bacteriën via het celmembraan geïnternaliseerd, in de vorm van een aaseter, en opgenomen in het DNA van de overlevende bacteriën. Bij kunstmatige transformatie introduceren wetenschappers vaak opzettelijk DNA in een gastheerbacterie E coli (omdat deze soort een klein, eenvoudig genoom heeft dat gemakkelijk kan worden gemanipuleerd) om deze organismen te bestuderen of een gewenst bacterieel product te creëren. Vaak is het geïntroduceerde DNA van a plasmide, een natuurlijk voorkomende ring van bacterieel DNA.

Vervoeging is het proces waarbij een bacterie een pilus of pili gebruikt om DNA in een tweede bacterie te "injecteren" via direct contact. Het overgedragen DNA kan, net als bij kunstmatige transformatie, een plasmide zijn of het kan een ander fragment zijn. Het nieuw geïntroduceerde DNA kan een vitaal gen bevatten dat codeert voor eiwitten die antibioticaresistentie mogelijk maken.

Ten slotte is transductie afhankelijk van de aanwezigheid van een binnendringend virus dat een bacteriofaag wordt genoemd. Virussen vertrouwen op levende cellen om te repliceren omdat, hoewel ze genetisch materiaal bezitten, ze niet de machines hebben om er kopieën van te maken. Deze bacteriofagen plaatsen hun eigen genetisch materiaal in het DNA van de bacteriën die ze binnendringen en geven de bacteriën de opdracht om meer fagen aan te maken, waarvan de genomen vervolgens een mix van het oorspronkelijke bacteriële DNA en het bacteriofaag-DNA bevatten. Wanneer deze nieuwe bacteriofagen de cel verlaten, kunnen ze andere bacteriën binnendringen en het DNA van de vorige gastheer in de nieuwe bacteriecel overbrengen.