Prokaryotische celkenmerken, cellulaire structuur, typen



de prokaryotische cellen het zijn eenvoudige structuren en zonder een kern begrensd door een plasmamembraan. De organismen die met dit celtype zijn geassocieerd, zijn eencellig, hoewel ze kunnen worden gegroepeerd en secundaire structuren, zoals ketens, kunnen vormen.

Van de drie domeinen van het leven voorgesteld door Carl Woese komen de prokaryoten overeen met Bacteria en Archaea. Het overblijvende domein, Eucarya, is samengesteld uit eukaryotische cellen, groter, complexer en met een afgebakende kern.

Een van de belangrijkste dichotomieën in de biologische wetenschappen is het onderscheid tussen de eukaryotische cel en de prokaryotische cel. Historisch gezien wordt een prokaryoot organisme als eenvoudig beschouwd, zonder interne organisatie, zonder organellen en zonder een cytoskelet. Nieuw bewijsmateriaal vernietigt echter deze paradigma's.

Er zijn bijvoorbeeld structuren geïdentificeerd in prokaryoten die mogelijk als organellen kunnen worden beschouwd. Evenzo zijn eiwitten gevonden die homoloog zijn aan de eiwitten van eukaryoten die het cytoskelet vormen.

Prokaryoten zijn zeer gevarieerd in hun voeding. Ze kunnen het licht van de zon en de energie in chemische verbindingen gebruiken als energiebron. Ze kunnen ook verschillende bronnen van koolstof gebruiken, zoals koolstofdioxide, glucose, aminozuren, eiwitten, onder anderen..

Prokaryoten worden aseksueel verdeeld door binaire splitsing. In dit proces repliceert het organisme zijn circulaire DNA, verhoogt het zijn volume en verdeelt het uiteindelijk in twee identieke cellen.

Er zijn echter mechanismen voor uitwisseling van genetisch materiaal die variabiliteit in bacteriën genereren, zoals transductie, conjugatie en transformatie.

index

  • 1 Algemene kenmerken
  • 2 Structuur
  • 3 soorten prokaryoten
  • 4 Morfologie van prokaryoten
  • 5 Voortplanting
    • 5.1 Ageseksuele voortplanting
    • 5.2 Aanvullende bronnen van genetische variabiliteit
  • 6 Voeding
    • 6.1 Voedzame categorieën
    • 6.2 Photoautotrofen
    • 6.3 Fotothorotropen
    • 6.4 Chemoautotrofen
    • 6.5 Chemoheterotrofen
  • 7 Metabolisme
  • 8 Fundamentele verschillen met eukaryote cellen
    • 8.1 Omvang en complexiteit
    • 8.2 Core
    • 8.3 Organisatie van genetisch materiaal
    • 8.4 Verdichting van genetisch materiaal
    • 8.5 Organellen
    • 8.6 Structuur van het ribosoom
    • 8.7 Celwand
    • 8.8 Celdeling
  • 9 Fylogenie en classificatie
  • 10 Nieuwe perspectieven
    • 10.1 Organellen in prokaryoten
    • 10.2 Magnetosomen
    • 10.3 Fotosynthetische membranen
    • 10.4 Compartimenten in Planctomycetes
    • 10.5 Componenten van het cytoskelet
  • 11 Referenties

Algemene kenmerken

Prokaryoten zijn relatief eenvoudige eencellige organismen. Het meest opvallende kenmerk dat deze groep identificeert, is de afwezigheid van een echte kern. Ze zijn verdeeld in twee grote takken: echte bacteriën of eubacteriën en archaebacteria.

Ze hebben bijna elke denkbare habitat gekoloniseerd, van water en bodem tot het inwendige van andere organismen, inclusief de mens. Specifiek, archaebacteria bewonen gebieden met temperaturen, zoutgehalte en extreme pH.

structuur

Het architecturale schema van een typische prokaryote is zonder twijfel dat van Escherichia coli, een bacterie die normaal in ons maag-darmkanaal leeft.

De celvorm lijkt op een stok en heeft een diameter van 1 um en een lengte van 2 um. Prokaryoten worden omgeven door een celwand, voornamelijk samengesteld uit polysacchariden en peptiden.

De bacteriële celwand is een zeer belangrijke eigenschap en maakt het volgens de structuur mogelijk om een ​​classificatiesysteem op te stellen in twee grote groepen: grampositieve en gramnegatieve bacteriën.

Gevolgd door de celwand vinden we een membraan (een gemeenschappelijk element tussen prokaryoten en eukaryoten) van een lipide-aard met daarin een reeks prothetische elementen die het organisme van zijn omgeving scheidt.

DNA is een circulair molecuul gelokaliseerd in een specifiek gebied dat geen enkel type membraan of scheiding met het cytoplasma heeft.

Het cytoplasma vertoont een ruw uiterlijk en bezit ongeveer 3.000 ribosomen - structuren die verantwoordelijk zijn voor de eiwitsynthese.

Soorten prokaryoten

Huidige prokaryoten bestaan ​​uit een grote verscheidenheid aan bacteriën die is verdeeld in twee hoofddomeinen: Eubacteria en Archaebacteria. Volgens het bewijsmateriaal lijken deze groepen al heel vroeg in de evolutie uiteen te lopen.

Archaebacteriën zijn een groep van prokaryoten die in het algemeen leven in een omgeving waarvan de omstandigheden ongebruikelijk zijn, zoals temperaturen of een hoog zoutgehalte. Deze omstandigheden zijn tegenwoordig zeldzaam, maar ze kunnen voorkomen in het primitieve land.

Thero-acidofielen leven bijvoorbeeld in gebieden waar de temperatuur een maximum van 80 ° C en een pH van 2 bereikt.

Eubacteria, aan de andere kant, leven in een gemeenschappelijke omgeving voor ons mensen. Ze kunnen bodem, water bewonen of in andere organismen leven - zoals bacteriën die deel uitmaken van ons spijsverteringskanaal.

Morfologie van prokaryoten

Bacteriën komen in een reeks van zeer gevarieerde en heterogene morfologieën. Een van de meest voorkomende zijn de ronde exemplaren die kokosnoten worden genoemd. Deze kunnen afzonderlijk worden gepresenteerd, in paren, in een ketting, in tetrads, enz..

Sommige bacteriën zijn morfologisch vergelijkbaar met een stok en worden bacillen genoemd. Net zoals kokosnoten in verschillende arrangementen met meer dan één persoon te vinden zijn. We vinden ook spiraalvormige spirocheten en die die een coma of korrelvorm hebben, vibribos genoemd.

Elk van deze beschreven morfologieën kan variëren tussen verschillende soorten - bijvoorbeeld, een bacillus kan meer langwerpig zijn dan een andere of met meer afgeronde randen - en zijn handig bij het identificeren van de soort.

reproduktie

Aseksuele voortplanting

Reproductie in bacteriën is aseksueel en gebeurt door binaire splitsing. In dit proces "breekt het organisme letterlijk" in tweeën ", resulterend in klonen van het oorspronkelijke organisme. Hiervoor moeten er voldoende middelen beschikbaar zijn.

Het proces is relatief eenvoudig: het ronde DNA repliceert en vormt twee identieke dubbele helices. Vervolgens wordt het genetisch materiaal ondergebracht in het celmembraan en begint de cel te groeien, totdat deze zijn grootte verdubbelt. De cel is uiteindelijk verdeeld en elk resulterend deel bezit een cirkelvormige DNA-kopie.

In sommige bacteriën kunnen de cellen het materiaal verdelen en groeien, maar ze delen zich helemaal niet en vormen een soort ketting.

Aanvullende bronnen van genetische variabiliteit

Er zijn genuitwisselingsgebeurtenissen tussen bacteriën die genetische overdracht en recombinatie mogelijk maken, een proces dat vergelijkbaar is met wat we kennen als seksuele reproductie. Deze mechanismen zijn conjugatie, transformatie en transductie.

De conjugatie bestaat uit de uitwisseling van genetisch materiaal tussen twee bacteriën door middel van een structuur die lijkt op fijne haartjes die pili of fimbrias worden genoemd en die fungeert als een 'brug'. In dit geval moet er een fysieke nabijheid zijn tussen beide personen.

De transformatie houdt in het nemen van fragmenten van naakt DNA gevonden in de omgeving. Dat wil zeggen, in dit proces is de aanwezigheid van een tweede organisme niet noodzakelijk.

Eindelijk hebben we de vertaling, waarbij de bacterie het genetische materiaal verkrijgt door middel van een vector, bijvoorbeeld de bacteriofagen (virussen die bacteriën infecteren).

voeding

Bacteriën hebben stoffen nodig die hun overleving garanderen en die hen de nodige energie geven voor cellulaire processen. De cel zal deze voedingsstoffen opnemen door middel van absorptie.

In het algemeen kunnen we de voedingsstoffen classificeren als essentieel of basisch (water, koolstofbronnen en stikstofverbindingen), secundair (zoals sommige ionen: kalium en magnesium) en sporenelementen die nodig zijn in minimale concentraties (ijzer, kobalt).

Sommige bacteriën hebben specifieke groeifactoren nodig, zoals vitamines en aminozuren en stimulerende factoren die, hoewel niet essentieel, helpen bij het groeiproces.

De voedingsbehoeften van bacteriën variëren sterk, maar hun kennis is noodzakelijk om effectieve kweekmedia te kunnen bereiden die de groei van een organisme van belang garanderen.

Voedingscategorieën

Bacteriën kunnen worden ingedeeld volgens de koolstofbron die zij gebruiken, organisch of anorganisch en afhankelijk van de verkregen bron van energie.

Volgens de koolstofbron hebben we twee groepen: autotrophs of lithotrophs gebruiken koolstofdioxide en heterotrophs of organotrophs die een organische koolstofbron vereisen.

In het geval van de energiebron hebben we ook twee categorieën: de fototrofen die de energie gebruiken die afkomstig is van de zon of stralingsenergie en de chemiotrofen die afhankelijk zijn van de energie van de chemische reacties. Door beide categorieën te combineren, kunnen de bacteriën worden ingedeeld in:

fotoautotrofe

Energie wordt verkregen uit zonlicht - wat betekent dat ze fotosynthetisch actief zijn - en hun koolstofbron is koolstofdioxide.

fotoheterotrofie

Ze kunnen stralingsenergie gebruiken voor hun ontwikkeling, maar zijn niet in staat om kooldioxide op te nemen. Daarom gebruiken ze andere bronnen van koolstof, zoals alcoholen, vetzuren, organische zuren en koolhydraten.

chemoautotrophs

Energie wordt verkregen uit chemische reacties en ze kunnen koolstofdioxide opnemen.

chemoheterotrophs

Ze gebruiken de energie die afkomstig is van de chemische reacties en de koolstof komt van organische verbindingen, zoals glucose - de meest gebruikte - lipiden en ook eiwitten. Merk op dat de bron van energie en de koolstofbron in beide gevallen hetzelfde zijn, dus het onderscheid tussen beide is moeilijk.

In het algemeen behoren de micro-organismen die worden beschouwd als pathogenen van de mens tot deze laatste categorie en gebruiken als koolstofbron de aminozuren en lipideverbindingen van hun gastheren.

metabolisme

Het metabolisme omvat alle complexe chemische reacties die worden gekatalyseerd door enzymen die in een organisme voorkomen, zodat het zich kan ontwikkelen en zich kan voortplanten.

In bacteriën verschillen deze reacties niet van de basisprocessen die voorkomen in meer complexe organismen. In feite hebben we meerdere routes die worden gedeeld door beide lijnen van organismen, zoals glycolyse bijvoorbeeld.

De reacties van het metabolisme worden ingedeeld in twee hoofdgroepen: biosynthese of anabole reacties, en afbraak of katabole reacties, die optreden om chemische energieproductie te bereiken.

De katabole reacties geven op een gespreide manier energie vrij die het organisme gebruikt voor de biosynthese van zijn componenten.

Fundamentele verschillen met eukaryote cellen

Prokaryoten verschillen voornamelijk van prokaryoten in de structurele complexiteit van de cel en in de processen die daarin voorkomen. Vervolgens zullen we de belangrijkste verschillen tussen beide lijnen beschrijven:

Omvang en complexiteit

In het algemeen zijn prokaryotische cellen kleiner dan eukaryoten. De eerste hebben diameters tussen 1 en 3 μm, in tegenstelling tot een eukaryote cel die 100 μm kan bereiken. Er zijn echter enkele uitzonderingen.

Hoewel prokaryote organismen eencellig zijn en we ze niet met het blote oog kunnen observeren (tenzij we bacteriekolonies observeren), moeten we geen kenmerk gebruiken om onderscheid te maken tussen beide groepen. In eukaryoten vinden we ook eencellige organismen.

In feite is een van de meest complexe cellen eencellige eukaryoten, omdat ze alle structuren moeten bevatten die nodig zijn voor hun ontwikkeling beperkt tot een celmembraan. De genres paramecium en Trypanosoma het zijn opmerkelijke voorbeelden hiervan.

Aan de andere kant zijn er zeer complexe prokaryoten, zoals cyanobacteriën (prokaryote groep waar de evolutie van fotosynthetische reacties plaatsvond).

kern

Het woord "prokaryoot" verwijst naar de afwezigheid van een kern (pro = voor; Karyon = kern) terwijl eukaryoten een echte kern hebben (eu = true). Aldus worden deze twee groepen gescheiden door de aanwezigheid van dit belangrijke organel.

In prokaryoten wordt het genetische materiaal verdeeld in een specifiek gebied van de cel dat nucleoid wordt genoemd - en het is geen echte kern omdat het niet wordt begrensd door een lipidemembraan.

Eukaryoten hebben een gedefinieerde kern en zijn omgeven door een dubbel membraan. Deze structuur is buitengewoon complex en presenteert verschillende gebieden binnen, zoals bijvoorbeeld de nucleolus. Bovendien kan dit organel interactie hebben met de interne omgeving van de cel dankzij de aanwezigheid van kernporiën.

Organisatie van genetisch materiaal

Prokaryoten bevatten van 0,6 tot 5 miljoen basenparen in hun DNA en er wordt geschat dat ze tot 5000 verschillende eiwitten kunnen coderen. 

Prokaryote genen zijn georganiseerd in entiteiten die operons worden genoemd - zoals het bekende operon-lactose - terwijl eukaryotische genen dat niet doen.

In genen kunnen we twee "regio's" onderscheiden: introns en exons. De eerste zijn delen die niet coderen voor het eiwit en die de coderende gebieden, de zogenaamde exons, verstoren. Introns komen veel voor in eukaryotische genen maar niet in prokaryoten.

Prokaryoten zijn over het algemeen haploïd (een enkele genetische belasting) en eukaryoten hebben zowel haploïde als polyploïde belastingen. Wij mensen zijn bijvoorbeeld diploïden. Evenzo hebben prokaryoten meer dan één een chromosoom en eukaryoten.

Verdichting van genetisch materiaal

Binnen de celkern vertonen eukaryoten een complexe organisatie van DNA. Een langketenig DNA (ongeveer twee meter) kan worden gewikkeld zodanig dat kan worden geïntegreerd in de kern en tijdens het splitsingsproces kan worden gevisualiseerd onder de microscoop chromosomen.

Dit proces van DNA-compactie omvat een reeks eiwitten die in staat zijn om aan de streng te binden en structuren te vormen die op een parelketting lijken, waarbij de draad wordt vertegenwoordigd door DNA en kralen door parels. Deze eiwitten worden histonen genoemd.

Histonen zijn gedurende de evolutie op grote schaal geconserveerd. Dat wil zeggen, onze histonen zijn ongelooflijk vergelijkbaar met die van een muis, of om verder te gaan naar die van een insect. Structureel bezitten ze een hoog aantal positief geladen aminozuren die een interactie aangaan met de negatieve ladingen van DNA.

In prokaryoten zijn bepaalde eiwitten gevonden die homoloog zijn aan histonen die algemeen bekend zijn als histonen-zoals. Deze eiwitten dragen bij aan de controle van genexpressie, DNA-recombinatie en -replicatie en, net als histonen in eukaryoten, nemen deel aan de nucleoïdeorganisatie.

organellen

In eukaryotische cellen kan een reeks zeer complexe subcellulaire compartimenten worden geïdentificeerd die specifieke functies uitvoeren.

De belangrijkste zijn de mitochondriën, die verantwoordelijk is voor cellulaire ademhaling processen en ATP generatie en planten staan ​​chloroplasten met drie membranen systeem en de machines die nodig zijn voor de fotosynthese.

Ook hebben we het Golgi-complex, glad en ruw endoplasmatisch reticulum, vacuolen, lysosomen, peroxisomen, onder andere.

Structuur van het ribosoom

Ribosomen omvatten de machinerie die nodig is voor de synthese van eiwitten, dus deze moeten aanwezig zijn in zowel eukaryoten als prokaryoten. Hoewel het voor beide een onmisbare structuur is, verschilt het overwegend in grootte.

Ribosomen zijn samengesteld uit twee subeenheden: één grote en één kleine. Elke subeenheid wordt geïdentificeerd door een parameter die sedimentatiecoëfficiënt wordt genoemd.

In prokaryoten is de grote subeenheid 50S en de kleine subeenheid 30S. De volledige structuur wordt 70S genoemd. Ribosomen zijn verspreid in het cytoplasma, waar ze hun taken uitvoeren.

Eukaryoten hebben grotere ribosomen, de grote subeenheid is 60S, de kleine is 40S en het volledige ribosoom is aangeduid met de waarde van 80S. Deze bevinden zich voornamelijk verankerd in het ruwe endoplasmatisch reticulum.

Celwand

De celwand is een essentieel element voor het omgaan met osmotische stress en dient als een beschermende barrière tegen mogelijke schade. Bijna alle prokaryoten en sommige groepen eukaryoten hebben een celwand. Het verschil ligt in de chemische aard ervan.

De bacteriële wand is samengesteld uit peptidoglycan, een polymeer samengesteld uit twee structurele elementen: N-acetyl-glucosamine en N-acetylmuraminezuur, aan elkaar verbonden door β-1,4-type bindingen.

Binnen de eukaryotische lijn zijn er ook cellen met muren, voornamelijk in sommige schimmels en in alle planten. De meest voorkomende verbinding in de wand van schimmels is chitine en in planten is het cellulose, een polymeer dat wordt gevormd door veel glucose-eenheden.

Celdeling

Zoals hierboven besproken, zijn prokaryoten verdeeld door binaire splitsing. Eukaryoten hebben een complex verdeelsysteem dat verschillende stadia van kerndeling omvat, of het nu mitose of meiose is.

Fylogenie en classificatie

We zijn over het algemeen gewend om een ​​soort te definiëren in overeenstemming met het biologische concept dat E. Mayr in 1989 heeft voorgesteld: "groepen natuurlijke natuurlijke populaties die reproductief geïsoleerd zijn van andere groepen".

Dit concept toepassen op aseksuele soorten, zoals het geval is met prokaryoten, is onmogelijk. Daarom moet er een andere manier zijn om het begrip soort te benaderen om deze organismen te classificeren.

Volgens Rosselló-Mora et al. (2011) het concept edge-fenetische past goed bij deze stam: "a monofyletische groep en genomisch coherente individuele organismen die een hoge mate van algehele overeenkomst in vele onafhankelijke kenmerken vertonen, en diagnosticeren van een discriminerende fenotypische eigenschap".

Eerder werden alle prokaryoten geclassificeerd in een enkel "domein", totdat Carl Woese suggereerde dat de levensboom drie hoofdtakken zou moeten hebben. Na deze classificatie omvatten prokaryoten twee domeinen: Archaea en Bacteria.

Binnen de bacteriën vinden we vijf groepen: proteobacteriën, chlamydia, spirocheten, cyanobacteriën en grampositieve bacteriën. Evenzo hebben we vier hoofdgroepen archaea: Euryarchaeota, Grupo TACK, Asgard en Grupo DPANN.

Nieuwe perspectieven

Een van de meest wijdverspreide concepten in de biologie is de eenvoud van het prokaryote cytosol. Nieuw bewijs suggereert echter dat er een potentiële organisatie is in prokaryote cellen. Momenteel proberen wetenschappers het dogma van de afwezigheid van organellen, cytoskelet en andere kenmerken in dit eencellige geslacht af te breken.

Organellen in prokaryoten

De auteurs van dit nieuwe en controversiële voorstel verzekeren dat er niveaus zijn van compartimentalisatie in eukaryote cellen, voornamelijk in structuren begrensd door eiwitten en door intracellulaire lipiden..

Volgens de verdedigers van dit idee is een organel een compartiment omgeven door een biologisch membraan met een bepaalde biochemische functie. Onder deze "organellen" die aan deze definitie voldoen hebben we de lipidenlichamen, de carboxysomen, de gasvacuolen, onder andere.

magnetosomen

Een van de meest fascinerende compartimenten van bacteriën zijn magnetosomen. Deze structuren zijn gerelateerd aan het vermogen van bepaalde bacteriën Magnetospirillum of Magnetococcus - van het gebruik van magnetische velden voor oriëntatie.

Structureel zijn ze een klein lichaam van 50 nanometer omgeven door een lipidemembraan, waarvan het binnenste bestaat uit magnetische mineralen.

Fotosynthetische membranen

Sommige prokaryoten hebben bovendien "fotosynthetische membranen", de meest bestudeerde compartimenten in deze organismen.

Deze systemen werken om de efficiëntie van fotosynthese te maximaliseren, verhogen het aantal fotosynthetische eiwitten dat beschikbaar is en maximaliseren het membraanoppervlak dat aan licht wordt blootgesteld.

Compartimenten in planctomycetales

Het is niet mogelijk gebleken om een ​​plausibel evolutionair pad van deze bovengenoemde compartimenten naar de zeer complexe organellen van eukaryoten te traceren..

Het genre echter planctomycetales Het heeft een reeks compartimenten aan de binnenkant die de organellen zelf doet denken en kan worden voorgesteld als de bacteriële voorouder van eukaryoten. In het genre Pirellula er zijn chromosomen en ribosomen omringd door biologische membranen.

Componenten van het cytoskelet

Evenzo zijn er bepaalde eiwitten die in het verleden als uniek werden beschouwd voor eukaryoten, waaronder de essentiële filamenten die deel uitmaken van het cytoskelet: tubuline, actine en intermediaire filamenten.

Recent onderzoek is erin geslaagd om eiwitten te identificeren die homoloog zijn aan tubuline (FtsZ, BtuA, BtuB en anderen), aan actine (MreB en Mb1) en aan intermediaire filamenten (CfoA).

referenties

  1. Cooper, G. M. (2000). De cel: moleculaire benadering. Sinauer Associates.
  2. Dorman, C. J., & Deighan, P. (2003). Regulatie van genexpressie door histonachtige eiwitten in bacteriën. Huidige mening over genetica en ontwikkeling, 13(2), 179-184.
  3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). De verborgen kant van de prokaryotische cel: de microbiële wereld herontdekken. Internationale microbiologie, 10(3), 157-168.
  4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Celbiologie van prokaryotische organellen. Cold Spring Harbor perspectieven in de biologie, a000422.
  5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Het soortconcept voor prokaryoten. FEMS-microbiologische beoordelingen, 25(1), 39-67.
  6. Slesarev, A.I., Belova, G.I., Kozyavkin, S.A., & Lake, J.A. (1998). Bewijs voor een vroege prokaryotische oorsprong van histonen H2A en H4 voorafgaand aan de opkomst van eukaryoten. Nucleic acids research, 26(2), 427-430.
  7. Souza, W. D. (2012). Prokaryote cellen: structurele organisatie van het cytoskelet en organellen. Herinneringen aan het Oswaldo Cruz Institute, 107(3), 283-293.