KOMÓRKA PROKARIOTYCZNA: CHARAKTERYSTYKA, BUDOWA KOMÓRKI, TYPY - BIOLOGIA - 2026

Do prokariotycznych można łatwo i bez pierścienia ograniczony przez struktury błony komórkowej. Organizmy związane z tym typem komórek są jednokomórkowe, chociaż mogą się grupować i tworzyć struktury drugorzędowe, takie jak łańcuchy.

Spośród trzech domen życia zaproponowanych przez Carla Woese prokarionty odpowiadają bakteriom i archeonom. Pozostała domena, Eucarya, składa się z większych, bardziej złożonych komórek eukariotycznych z ograniczonym jądrem.

Komórka prokariotyczna. Źródło: Ali Zifan, z Wikimedia Commons

Jedną z najważniejszych dychotomii w naukach biologicznych jest rozróżnienie między komórką eukariotyczną i prokariotyczną. Historycznie rzecz biorąc, organizm prokariotyczny uważany jest za prosty, bez wewnętrznej organizacji, bez organelli i bez cytoszkieletu. Jednak nowe dowody niszczą te paradygmaty.

Na przykład w prokariotach zidentyfikowano struktury, które potencjalnie można uznać za organelle. Podobnie znaleziono białka homologiczne do białek eukariotów, które tworzą cytoszkielet.

Prokarionty są bardzo zróżnicowane pod względem odżywiania. Mogą wykorzystywać światło słoneczne i energię zawartą w wiązaniach chemicznych jako źródło energii. Mogą również wykorzystywać różne źródła węgla, takie jak między innymi dwutlenek węgla, glukoza, aminokwasy, białka.

Prokariota dzielą się bezpłciowo przez podział binarny. W tym procesie organizm replikuje swoje koliste DNA, zwiększa swoją objętość i ostatecznie dzieli się na dwie identyczne komórki.

Istnieją jednak mechanizmy wymiany materiału genetycznego, które powodują zmienność bakterii, takie jak transdukcja, koniugacja i transformacja.

Charakterystyka ogólna

Prokariota to stosunkowo proste organizmy jednokomórkowe. Najbardziej uderzającą cechą identyfikującą tę grupę jest brak prawdziwego jądra. Są podzielone na dwie duże gałęzie: prawdziwe bakterie lub eubakterie i archebakterie.

Skolonizowali prawie wszystkie możliwe do wyobrażenia siedliska, od wody i gleby po wnętrza innych organizmów, w tym ludzi. W szczególności archebakterie zamieszkują obszary o ekstremalnych temperaturach, zasoleniu i pH.

Struktura

Średnia komórka prokariotyczna.

Schemat architektoniczny typowego prokariota to bez wątpienia schemat Escherichia coli, bakterii, która normalnie zasiedla nasz przewód pokarmowy.

Kształt komórki przypomina pręcik i ma 1 µm średnicy i 2 µm długości. Prokarionty otoczone są ścianą komórkową złożoną głównie z polisacharydów i peptydów.

Ściana komórkowa bakterii jest bardzo ważną cechą i w zależności od jej budowy pozwala na ustalenie systemu klasyfikacji na dwie duże grupy: bakterie Gram-dodatnie i Gram-ujemne.

W ślad za ścianą komórkową znajdujemy membranę (element wspólny między prokariotami i eukariotami) o charakterze lipidowym z wbudowanym w nią szeregiem elementów protetycznych, które oddzielają organizm od jego otoczenia.

DNA jest kolistą cząsteczką znajdującą się w określonym regionie, który nie ma żadnego rodzaju błony ani separacji z cytoplazmą.

Cytoplazma ma szorstki wygląd i zawiera około 3000 rybosomów - struktur odpowiedzialnych za syntezę białek.

Rodzaje prokariotów

Obecne prokarionty składają się z bardzo różnorodnych bakterii, które są podzielone na dwie duże domeny: Eubacteria i Archaebacteria. Zgodnie z dowodami, wydaje się, że grupy te rozeszły się na bardzo wczesnym etapie ewolucji.

Archebakterie to grupa prokariotów, które na ogół żyją w środowiskach o nietypowych warunkach, takich jak temperatura lub wysokie zasolenie. Te warunki są dziś rzadkie, ale mogły występować powszechnie na wczesnej Ziemi.

Na przykład termokwasofile żyją na obszarach, w których temperatura osiąga maksymalnie 80 ° C i pH 2.

Z kolei eubakterie żyją w środowiskach wspólnych dla nas, ludzi. Mogą zamieszkiwać glebę, wodę lub żyć w innych organizmach - takich jak bakterie, które są częścią naszego przewodu pokarmowego.

Morfologia prokariotów

Bakterie występują w szeregu bardzo zróżnicowanych i niejednorodnych morfologii. Wśród najczęściej spotykanych mamy okrągłe, zwane kokosami. Mogą one wystąpić pojedynczo, w parach, w łańcuchu, w tetradach itp.

Niektóre bakterie są morfologicznie podobne do pręcika i nazywane są pałeczkami. Podobnie jak orzechy kokosowe, można je znaleźć w różnych aranżacjach z więcej niż jedną osobą. Znajdziemy również krętki w kształcie spirali i te z przecinkiem lub kształtem ziaren zwane wibriami.

Każda z tych opisanych morfologii może się różnić u różnych gatunków - na przykład jedna pałeczka może być bardziej wydłużona niż inna lub z bardziej zaokrąglonymi krawędziami - i są przydatne przy identyfikacji gatunku.

Reprodukcja

Rozmnażanie bezpłciowe

Rozmnażanie u bakterii jest bezpłciowe i odbywa się na drodze podwójnego rozszczepienia. W tym procesie organizm dosłownie „dzieli się na dwie części”, w wyniku czego powstają klony pierwotnego organizmu. Aby to nastąpiło, muszą być dostępne wystarczające zasoby.

Proces jest stosunkowo prosty: kolisty DNA replikuje się, tworząc dwie identyczne podwójne helisy. Później materiał genetyczny zostaje umieszczony w błonie komórkowej, a komórka zaczyna rosnąć, aż podwoi swój rozmiar. Komórka ostatecznie dzieli się i każda otrzymana część ma kolistą kopię DNA.

W niektórych bakteriach komórki mogą dzielić materiał i rosnąć, ale nie dzielą się całkowicie i nie tworzą swego rodzaju łańcucha.

Dodatkowe źródła zmienności genetycznej

Istnieją zdarzenia wymiany genów między bakteriami, które umożliwiają transfer genetyczny i rekombinację, proces podobny do tego, co znamy jako rozmnażanie płciowe. Te mechanizmy to koniugacja, transformacja i transdukcja.

Koniugacja polega na wymianie materiału genetycznego między dwiema bakteriami poprzez strukturę podobną do cienkich włosków zwanych pilusami lub fimbriami, która działa jak „pomost”. W takim przypadku musi istnieć fizyczna bliskość między obiema osobami.

Transformacja polega na pobieraniu nagich fragmentów DNA znalezionych w środowisku. To znaczy, że w tym procesie obecność drugiego organizmu nie jest konieczna.

Wreszcie mamy translację, w której bakteria pozyskuje materiał genetyczny poprzez wektor, na przykład bakteriofagi (wirusy infekujące bakterie).

Odżywianie

Bakterie potrzebują substancji gwarantujących ich przetrwanie i dających im energię niezbędną do procesów komórkowych. Komórka wchłania te składniki odżywcze poprzez wchłanianie.

Ogólnie rzecz biorąc, możemy sklasyfikować składniki odżywcze jako niezbędne lub zasadowe (woda, źródła węgla i związki azotowe), drugorzędne (takie jak niektóre jony: potas i magnez) oraz pierwiastki śladowe, które są potrzebne w minimalnych stężeniach (żelazo, kobalt).

Niektóre bakterie potrzebują określonych czynników wzrostu, takich jak witaminy i aminokwasy oraz czynniki stymulujące, które choć nie są niezbędne, pomagają w procesie wzrostu.

Potrzeby żywieniowe bakterii są bardzo zróżnicowane, ale ich znajomość jest niezbędna do przygotowania skutecznych pożywek, które zapewnią wzrost interesującego organizmu.

Kategorie żywieniowe

Bakterie można podzielić na podstawie źródła węgla, z którego korzystają, organicznego lub nieorganicznego oraz w zależności od źródła produkcji energii.

W zależności od źródła węgla mamy dwie grupy: autotrofy lub litotrofy wykorzystują dwutlenek węgla, a heterotrofy lub organotrofy, które wymagają organicznego źródła węgla.

W przypadku źródła energii mamy również dwie kategorie: fototrofy, które wykorzystują energię słoneczną lub energię promieniowania oraz chemotrofy, które zależą od energii reakcji chemicznych. Zatem łącząc obie kategorie, bakterie można podzielić na:

Fotoautotrofy

Pozyskują energię ze światła słonecznego - co oznacza, że ​​są aktywne fotosyntetycznie - a ich źródłem węgla jest dwutlenek węgla.

Fotoheterotrofy

Są zdolne do wykorzystania energii promieniowania do swojego rozwoju, ale nie są zdolne do pochłaniania dwutlenku węgla. Dlatego wykorzystują inne źródła węgla, takie jak alkohole, kwasy tłuszczowe, kwasy organiczne i węglowodany.

Chemoautotrofy

Pozyskują energię z reakcji chemicznych i są zdolne do pochłaniania dwutlenku węgla.

Chemoheterotrofy

Wykorzystują energię z reakcji chemicznych, a węgiel pochodzi ze związków organicznych, takich jak glukoza - która jest najczęściej używana - lipidy, a także białka. Należy pamiętać, że źródło energii i źródło węgla są takie same w obu przypadkach, dlatego rozróżnienie między nimi jest trudne.

Generalnie mikroorganizmy uważane za ludzkie patogeny należą do tej ostatniej kategorii i jako źródło węgla wykorzystują aminokwasy i związki lipidowe pochodzące od swoich gospodarzy.

Metabolizm

Metabolizm obejmuje wszystkie złożone, katalizowane enzymatycznie reakcje chemiczne, które zachodzą wewnątrz organizmu, aby mógł się on rozwijać i rozmnażać.

U bakterii reakcje te nie różnią się od podstawowych procesów zachodzących w bardziej złożonych organizmach. W rzeczywistości mamy wiele ścieżek, które są wspólne dla obu linii organizmów, takich jak na przykład glikoliza.

Reakcje metabolizmu dzieli się na dwie duże grupy: reakcje biosyntetyczne lub anaboliczne oraz reakcje degradacji lub kataboliczne, które zachodzą w celu uzyskania energii chemicznej.

Reakcje kataboliczne uwalniają energię w sposób rozłożony w czasie, który organizm wykorzystuje do biosyntezy jej składników.

Podstawowe różnice w stosunku do komórek eukariotycznych

Prokarionty różnią się od prokariontów przede wszystkim złożonością strukturalną komórki i procesami, które w niej zachodzą. Poniżej opiszemy główne różnice między dwiema liniami:

Rozmiar i złożoność

Ogólnie komórki prokariotyczne są mniejsze niż komórki eukariotyczne. Te pierwsze mają średnicę od 1 do 3 µm, w przeciwieństwie do komórki eukariotycznej, która może osiągnąć 100 µm. Jednakże, jest kilka wyjątków.

Chociaż organizmy prokariotyczne są jednokomórkowe i nie możemy ich obserwować gołym okiem (o ile nie obserwujemy np. Kolonii bakteryjnych), nie powinniśmy używać cech charakterystycznych do rozróżnienia obu grup. U eukariotów znajdujemy również organizmy jednokomórkowe.

W rzeczywistości jedną z najbardziej złożonych komórek są jednokomórkowe eukarionty, ponieważ muszą zawierać wszystkie struktury niezbędne do ich rozwoju, zamknięte w błonie komórkowej. Godnymi tego przykładem są rodzaje Paramecium i Trypanosoma.

Z drugiej strony istnieją bardzo złożone prokarioty, takie jak sinice (grupa prokariotyczna, w której zachodziła ewolucja reakcji fotosyntetycznych).

Rdzeń

Słowo „prokariota” odnosi się do braku jądra (pro = przed; karyon = jądro), podczas gdy eukarionty mają prawdziwe jądro (eu = prawda). Tak więc te dwie grupy są oddzielone obecnością tego ważnego organelli.

U prokariotów materiał genetyczny znajduje się w określonym regionie komórki zwanym nukleoidem - i nie jest to prawdziwe jądro, ponieważ nie jest ograniczone błoną lipidową.

Eukarionty mają określone jądro i są otoczone podwójną membraną. Ta struktura jest niezwykle złożona, przedstawiając różne obszary wewnątrz, takie jak jąderko. Ponadto te organelle mogą wchodzić w interakcje z wewnętrznym środowiskiem komórki dzięki obecności porów jądrowych.

Organizacja materiału genetycznego

Prokarionty zawierają od 0,6 do 5 milionów par zasad w swoim DNA i szacuje się, że mogą kodować do 5000 różnych białek.

Geny prokariotyczne organizują się w byty zwane operonami - podobnie jak dobrze znany operon laktozowy - podczas gdy geny eukariotyczne nie.

W genach można wyróżnić dwa „regiony”: introny i egzony. Te pierwsze to fragmenty, które nie kodują białka i przerywają regiony kodujące, zwane eksonami. Introny są powszechne w genach eukariotycznych, ale nie u prokariotów.

Prokariota są na ogół haploidalne (pojedynczy ładunek genetyczny), a eukarionty mają zarówno ładunki haploidalne, jak i poliploidalne. Na przykład my, ludzie, jesteśmy diploidalni. Podobnie prokarionty mają jeden chromosom, a eukarionty więcej niż jeden.

Zagęszczanie materiału genetycznego

W jądrze komórkowym eukarionty wykazują złożoną organizację DNA. Długi łańcuch DNA (o długości około dwóch metrów) może skręcać się w taki sposób, że można go zintegrować z jądrem, a podczas procesów podziału można go uwidocznić pod mikroskopem w postaci chromosomów.

Ten proces zagęszczania DNA obejmuje szereg białek, które są w stanie związać się z nicią i utworzyć struktury przypominające naszyjnik z pereł, w którym nić jest reprezentowana przez DNA, a koraliki przez perły. Te białka nazywane są histonami.

Histony były szeroko konserwowane podczas całej ewolucji. Innymi słowy, nasze histony są niewiarygodnie podobne do tych u myszy lub do owadów. Strukturalnie mają dużą liczbę dodatnio naładowanych aminokwasów, które oddziałują z ujemnymi ładunkami DNA.

U prokariotów znaleziono pewne białka homologiczne do histonów, które są ogólnie znane jako podobne do histonów. Białka te przyczyniają się do kontroli ekspresji genów, rekombinacji DNA i replikacji oraz, podobnie jak histony u eukariotów, uczestniczą w organizacji nukleoidu.

Organelle

W komórkach eukariotycznych można zidentyfikować szereg bardzo złożonych przedziałów subkomórkowych, które pełnią określone funkcje.

Najistotniejsze z nich to mitochondria, odpowiedzialne za procesy oddychania komórkowego i wytwarzanie ATP, a u roślin wyróżniają się chloroplasty z ich układem trójbłonowym i maszynerią niezbędną do fotosyntezy.

Podobnie, mamy między innymi kompleks Golgiego, gładką i szorstką retikulum endoplazmatyczne, wakuole, lizosomy, peroksysomy.

Struktura rybosomu

Rybosomy

Rybosomy stanowią maszynerię niezbędną do syntezy białek, więc muszą być obecne zarówno u eukariontów, jak i prokariotów. Chociaż jest to niezbędna konstrukcja dla obu, różni się głównie wielkością.

Rybosomy składają się z dwóch podjednostek: dużej i małej. Każda podjednostka jest identyfikowana za pomocą parametru zwanego współczynnikiem sedymentacji.

U prokariotów duża podjednostka to 50S, a mała 30S. Cała konstrukcja nosi nazwę 70S. Rybosomy są rozproszone po całej cytoplazmie, gdzie wykonują swoje zadania.

Eukarionty mają większe rybosomy, duża podjednostka to 60S, mała to 40S, a cały rybosom jest oznaczony jako 80S. Znajdują się one głównie zakotwiczone w szorstkiej siateczce śródplazmatycznej.

Ściana komórkowa

Ściana komórkowa jest niezbędnym elementem przeciwdziałającym stresowi osmotycznemu i służy jako bariera ochronna przed możliwymi uszkodzeniami. Prawie wszystkie prokarionty i niektóre grupy eukariontów mają ścianę komórkową. Różnica polega na jego chemicznej naturze.

Ściana bakterii składa się z peptydoglikanu, polimeru zbudowanego z dwóch elementów strukturalnych: N-acetyloglukozaminy i kwasu N-acetylomuraminowego, połączonych ze sobą wiązaniami typu β-1,4.

W linii eukariotycznej występują również komórki ścian, głównie niektórych grzybów i wszystkich roślin. Najliczniej występującym związkiem w ścianie grzybów jest chityna, a roślin to celuloza, polimer złożony z wielu jednostek glukozy.

Podział komórkowy

Jak wspomniano wcześniej, prokarionty dzielą się przez rozszczepienie binarne. Eukarionty mają złożony system podziału, który obejmuje różne etapy podziału jądra, mitozę lub mejozę.

Filogeneza i klasyfikacja

Generalnie jesteśmy przyzwyczajeni do definiowania gatunku zgodnie z biologiczną koncepcją zaproponowaną przez E. Mayra w 1989 roku: „grupy krzyżujących się populacji naturalnych, które są reprodukcyjnie izolowane od innych grup”.

Zastosowanie tej koncepcji do gatunków bezpłciowych, jak to ma miejsce w przypadku prokariotów, jest niemożliwe. Dlatego musi istnieć inny sposób podejścia do pojęcia gatunku, aby sklasyfikować te organizmy.

Według Rosselló-Mora i wsp. (2011) koncepcja filofenetyczna dobrze pasuje do tej linii: „monofiletyczny i genomowo spójny zestaw pojedynczych organizmów, które wykazują wysoki stopień ogólnego podobieństwa w wielu niezależnych cechach i można je zdiagnozować na podstawie odróżniającej właściwości fenotypowej”.

Wcześniej wszystkie prokarionty były klasyfikowane w jednej „domenie”, dopóki Carl Woese nie zasugerował, że drzewo życia powinno mieć trzy główne gałęzie. Zgodnie z tą klasyfikacją prokarionty obejmują dwie domeny: archeony i bakterie.

W obrębie bakterii znajdujemy pięć grup: proteobakterie, chlamydie, krętki cyjanobakterii i bakterie Gram-dodatnie. Podobnie mamy cztery główne grupy archeonów: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard i DPANN Group.

Nowe spojrzenie

Jedną z najbardziej rozpowszechnionych koncepcji w biologii jest prostota cytozolu prokariotycznego. Jednak nowe dowody sugerują, że istnieje potencjalna organizacja w komórkach prokariotycznych. Obecnie naukowcy próbują przełamać dogmat o braku organelli, cytoszkieletu i innych cech w tej jednokomórkowej linii.

Organelle u prokariotów

Autorzy tej bardzo nowej i kontrowersyjnej propozycji zapewniają, że istnieją poziomy kompartmentalizacji w komórkach eukariotycznych, głównie w strukturach ograniczonych przez białka i lipidy wewnątrzkomórkowe.

Według obrońców tego pomysłu organelle to przedział otoczony biologiczną błoną o określonej funkcji biochemicznej. Wśród tych „organelli”, które pasują do tej definicji, są między innymi ciała lipidowe, karboksy-somy, wakuole gazowe.

Magnetosomy

Jednym z najbardziej fascynujących przedziałów bakterii są magnetosomy. Struktury te są związane ze zdolnością niektórych bakterii - takich jak Magnetospirillum lub Magnetococcus - do wykorzystywania pól magnetycznych do orientacji.

Strukturalnie są to małe 50-nanometrowe ciała otoczone membraną lipidową, której wnętrze składa się z minerałów magnetycznych.

Błony fotosyntetyczne

Ponadto niektóre prokarionty mają „błony fotosyntetyczne”, które są najlepiej zbadanymi przedziałami w tych organizmach.

Systemy te działają na rzecz maksymalizacji wydajności fotosyntezy, zwiększając liczbę dostępnych białek fotosyntetycznych i maksymalizując błoniastą powierzchnię wystawioną na działanie światła.

Przedziały w

Nie było możliwe prześledzenie prawdopodobnej ścieżki ewolucyjnej od wspomnianych wcześniej przedziałów do wysoce złożonych organelli eukariontów.

Jednak rodzaj Planctomycetes ma wewnątrz szereg przedziałów, które przypominają same organelle i można je uznać za bakteryjnego przodka eukariotów. W rodzaju Pirellula znajdują się chromosomy i rybosomy otoczone biologicznymi błonami.

Składniki cytoszkieletu

Podobnie, istnieją pewne białka, które historycznie były uważane za unikalne dla eukariontów, w tym podstawowe włókna, które są częścią cytoszkieletu: tubulina, aktyna i włókna pośrednie.

W ostatnich badaniach udało się zidentyfikować białka homologiczne do tubuliny (FtsZ, BtuA, BtuB i inne), aktyny (MreB i Mb1) oraz do włókien pośrednich (CfoA).

Bibliografia

1. Cooper, GM (2000). Komórka: podejście molekularne. Sinauer Associates.
2. Dorman, CJ i Deighan, P. (2003). Regulacja ekspresji genów przez białka podobne do histonów w bakteriach. Obecna opinia w dziedzinie genetyki i rozwoju, 13 (2), 179-184.
3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Ukryta strona komórki prokariotycznej: ponowne odkrycie świata drobnoustrojów. International Microbiology, 10 (3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M. i Komeili, A. (2010). Biologia komórki organelli prokariotycznych. Perspektywy Cold Spring Harbor w biologii, a000422.
5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Pojęcie gatunku dla prokariotów. Recenzje mikrobiologiczne FEMS, 25 (1), 39-67.
6. Slesarev, AI, Belova, GI, Kozyavkin, SA i Lake, JA (1998). Dowody na wczesne prokariotyczne pochodzenie histonów H2A i H4 przed pojawieniem się eukariotów. Badania kwasów nukleinowych, 26 (2), 427-430.
7. Souza, WD (2012). Komórki prokariotyczne: organizacja strukturalna cytoszkieletu i organelli. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 107 (3), 283–293.