Βακτηριακό κύτταρο
Τα προκαρυωτικά κύτταρα είναι οι πιο πρωτόγονοι, πολύ απλά δομημένοι οργανισμοί που διατηρούν τα χαρακτηριστικά της βαθιάς αρχαιότητας. Οι προκαρυωτικοί (ή προπυρηνικοί) οργανισμοί περιλαμβάνουν βακτήρια και γαλαζοπράσινα φύκια (κυανοβακτήρια). Με βάση την ομοιότητα της δομής και τις έντονες διαφορές από άλλα κύτταρα, διαχωρίζονται στο ανεξάρτητο βασίλειο του θρυμματισμένου κυττάρου.
Ας δούμε τη δομή ενός προκαρυωτικού κυττάρου χρησιμοποιώντας ως παράδειγμα βακτήρια.
Η γενετική συσκευή αντιπροσωπεύεται από το DNA ενός μόνο κυκλικού χρωμοσώματος, βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα και δεν οριοθετείται από αυτό με μεμβράνη. Αυτό το ανάλογο του πυρήνα ονομάζεται νουκλεοειδές. Το DNA δεν σχηματίζει σύμπλοκα με πρωτεΐνες και επομένως όλα τα γονίδια που αποτελούν μέρος του χρωμοσώματος «λειτουργούν», δηλ. πληροφορίες διαβάζονται συνεχώς από αυτούς.
Ένα προκαρυωτικό κύτταρο περιβάλλεται από μια μεμβράνη που χωρίζει το κυτταρόπλασμα από το κυτταρικό τοίχωμα, που σχηματίζεται από μια σύνθετη, εξαιρετικά πολυμερική ουσία. Υπάρχουν λίγα οργανίδια στο κυτταρόπλασμα, αλλά υπάρχουν πολλά μικρά ριβοσώματα (τα βακτηριακά κύτταρα περιέχουν από 5.000 έως 50.000 ριβοσώματα).
Το κυτταρόπλασμα διαποτίζεται από μεμβράνες που σχηματίζουν το ενδοπλασματικό δίκτυο· περιέχει ριβοσώματα που πραγματοποιούν τη σύνθεση πρωτεϊνών.
Το εσωτερικό μέρος του κυτταρικού τοιχώματος αντιπροσωπεύεται από την πλασματική μεμβράνη, οι προεξοχές της οποίας στο κυτταρόπλασμα σχηματίζουν μεσοσώματα, τα οποία εμπλέκονται στην κατασκευή των κυτταρικών τοιχωμάτων, στην αναπαραγωγή και είναι η θέση σύνδεσης του DNA. Η αναπνοή στα βακτήρια συμβαίνει στα μεσοσώματα και στα μπλε-πράσινα φύκια στις κυτταροπλασματικές μεμβράνες.
Πολλά βακτήρια εναποθέτουν αποθεματικές ουσίες μέσα στο κύτταρο: πολυσακχαρίτες, λίπη, πολυφωσφορικά. Οι αποθεματικές ουσίες, όταν περιλαμβάνονται στο μεταβολισμό, μπορούν να παρατείνουν τη ζωή ενός κυττάρου απουσία εξωτερικών πηγών ενέργειας.
Δομή προκαρυωτικού κυττάρου
(1-κυτταρικό τοίχωμα, 2-εξωτερική κυτταροπλασματική μεμβράνη, 3-χρωμόσωμα (κυκλικό μόριο DNA), 4-ριβόσωμα, 5-μεσόσωμα, 6-κολπισμός της εξωτερικής κυτταροπλασματικής μεμβράνης, 7-κενά, 8-μαστίγια, 9 στοίβες μεμβράνες, στις οποίες λαμβάνει χώρα η φωτοσύνθεση)
Κατά κανόνα, τα βακτήρια αναπαράγονται με διαίρεση στα δύο. Μετά την επιμήκυνση των κυττάρων, σχηματίζεται σταδιακά ένα εγκάρσιο διαμέρισμα, το οποίο τοποθετείται προς την κατεύθυνση από έξω προς τα μέσα, στη συνέχεια τα θυγατρικά κύτταρα αποκλίνουν ή παραμένουν συνδεδεμένα σε χαρακτηριστικές ομάδες - αλυσίδες, πακέτα κ.λπ. Το βακτήριο E. coli διπλασιάζει τον αριθμό του κάθε 20 λεπτά.
Τα βακτήρια χαρακτηρίζονται από σχηματισμό σπορίων. Ξεκινά με την αποκόλληση μέρους του κυτταροπλάσματος από το μητρικό κύτταρο. Το αποκολλημένο τμήμα περιέχει ένα γονιδίωμα και περιβάλλεται από μια κυτταροπλασματική μεμβράνη. Στη συνέχεια, ένα κυτταρικό τοίχωμα, συχνά πολυστρωματικό, αναπτύσσεται γύρω από το σπόρο. Στα βακτήρια, η σεξουαλική διαδικασία λαμβάνει χώρα με τη μορφή ανταλλαγής γενετικών πληροφοριών μεταξύ δύο κυττάρων. Η σεξουαλική διαδικασία αυξάνει την κληρονομική μεταβλητότητα των μικροοργανισμών.
Το σχήμα των προκαρυωτικών κυττάρων δεν είναι τόσο διαφορετικό. Τα στρογγυλά κύτταρα ονομάζονται κόκκοι. Τόσο τα αρχαία όσο και τα ευβακτήρια μπορούν να έχουν αυτή τη μορφή. Οι στρεπτόκοκκοι είναι κόκκοι επιμήκεις σε μια αλυσίδα. Οι σταφυλόκοκκοι είναι «συστάδες» κόκκων, οι διπλόκοκκοι είναι κόκκοι ενωμένοι σε δύο κύτταρα, οι τετράδες είναι τέσσερα και η σαρκίνη είναι οκτώ. Τα βακτήρια σε σχήμα ράβδου ονομάζονται βάκιλοι. Δύο ράβδοι - διπλοβάκιλλοι, επιμήκεις σε μια αλυσίδα - στρεπτόβακιλλοι. Άλλα είδη περιλαμβάνουν βακτήρια κορνεοειδούς (με προέκταση που μοιάζει με ραβδί στα άκρα), σπιρίλια (μακριά κατσαρά κύτταρα), vibrios (κοντά καμπυλωμένα κύτταρα) και σπειροχαίτες (σπειροειδής καμπύλες διαφορετικά από τη σπιρίλια).
Το σχήμα ενός βακτηριακού κυττάρου είναι ένα από τα πιο σημαντικά συστηματικά χαρακτηριστικά.
Υπάρχουν 4 κύριες μορφές κυττάρων:
1) Οι κόκκοι είναι βακτήρια που έχουν σφαιρικό σχήμα. Τα σφαιρικά βακτήρια μετά τη διαίρεση μπορούν να σχηματιστούν:
α) διπλόκοκκοι - δύο κύτταρα σε μία κάψουλα. Εκπρόσωποι: πνευμονιόκοκκος - ο αιτιολογικός παράγοντας της πνευμονίας.
β) στρεπτόκοκκοι - σχηματίζονται από κόκκους με τη μορφή αλυσίδας. Εκπρόσωποι: παθογόνα του πονόλαιμου και της οστρακιάς.
γ) σταφυλόκοκκοι - μοιάζουν με ένα τσαμπί σταφύλι. Εκπρόσωποι: διαφορετικά στελέχη σταφυλόκοκκων προκαλούν φουρουλκίωση, πνευμονία, τροφική δηλητηρίαση και ορισμένες άλλες ασθένειες.
2) Οι βάκιλοι είναι ευθύγραμμα βακτήρια σε σχήμα ράβδου:
α) Οι ράβδοι που δεν σχηματίζουν σπόρους ονομάζονται βακτήρια. Εκπρόσωποι: κοινά εντερικά συμβιώματα, παθογόνα του τυφοειδούς πυρετού, βακτήρια όζων.
β) Οι ράβδοι που σχηματίζουν σπόρους ονομάζονται βάκιλλοι. Εκπρόσωποι: πολύ στο έδαφος, για παράδειγμα, βακτήρια που δεσμεύουν το άζωτο, οι αιτιολογικοί παράγοντες του άνθρακα, ο αιτιολογικός παράγοντας της φυματίωσης - ο βάκιλος του Koch.
3) Spirilla, σπειροχαίτες- σπειροειδές σχήμα.
ΕΝΑ) Οι σπιρίλες είναι σπειροειδείς ράβδοι με ένα μαστίγιο. Εκπρόσωποι: απλοί κάτοικοι της στοματικής κοιλότητας.
β) σπειροχαίτες - το σχήμα των κυττάρων είναι πολύ περίπλοκο, αλλά υπάρχουν διαφορές στη μέθοδο κίνησης. Εκπρόσωποι: συνηθισμένοι κάτοικοι της στοματικής κοιλότητας, ο αιτιολογικός παράγοντας της σύφιλης.
4) Τα Vibrios είναι κοντές ράβδοι, πάντα κυρτές σε σχήμα κόμματος. Εκπρόσωποι: αιτιολογικός παράγοντας της χολέρας.
Οι προκαρυώτες εμφανίστηκαν στη Γη πριν από περίπου 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια και ήταν πιθανώς οι πρώτες κυτταρικές μορφές ζωής, δημιουργώντας τους σύγχρονους προκαρυώτες και ευκαρυώτες.
Τα προκαρυωτικά κύτταρα ήταν οι πρώτοι ζωντανοί οργανισμοί που εμφανίστηκαν στη Γη· έχουν την απλούστερη δομή. Σήμερα, τα προκαρυωτικά (προπυρηνικά) περιλαμβάνουν βακτήρια και αρχαία· είναι όλοι μονοκύτταροι οργανισμοί (σπάνια σχηματίζουν αποικίες). Τα κυανοβακτήρια (γνωστά και ως γαλαζοπράσινα φύκια) ταξινομούνται ως βακτήρια στην κατάταξη της ομάδας.
Οι προκαρυώτες είναι μια μη ταξινομική ομάδα οργανισμών που ενώνει βακτήρια και αρχαία λόγω της έλλειψης πυρήνα τους. Τα βακτήρια και τα αρχαία ταξινομούνται σε διαφορετικά υπερβασίλεια (τομείς), διαφέρουν μεταξύ τους σε πολλές βιοχημικές διεργασίες και πιστεύεται ότι έχουν διαφορετικά εξελικτικά μονοπάτια. Εκτός από αυτούς, το τρίτο υπερβασίλειο είναι οι ευκαρυώτες.
Τα προκαρυωτικά κύτταρα είναι μικρότερα από τα ευκαρυωτικά κύτταρα.
Δεν έχουν πυρήνα, αληθινά οργανίδια μεμβράνης ή κυτταρικό κέντρο. Ορισμένες ομάδες βακτηρίων έχουν εισβολές της κυτταροπλασματικής μεμβράνης, οι οποίες εκτελούν διάφορες λειτουργίες λόγω του εντοπισμού ορισμένων ενζύμων πάνω τους. Τα κυανοβακτήρια έχουν φωτοσυνθετικές μεμβράνες (κυστίδια, θυλακοειδή, χρωματοφόρα) που σχηματίζονται από την κυτταρική μεμβράνη. Μπορούν να παραμείνουν σε επαφή μαζί της ή να απομονωθούν.
Το γενετικό υλικό των προκαρυωτών βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα. Ο κύριος όγκος του συγκεντρώνεται στο νουκλεοειδές - ένα κυκλικό μόριο DNA, σε ένα σημείο προσκολλημένο στην κυτταροπλασματική μεμβράνη. Δεν σχετίζεται με πρωτεΐνες ιστόνης όπως στους ευκαρυώτες. Στα προκαρυωτικά κύτταρα, η εφαρμογή της γενετικής πληροφορίας ρυθμίζεται διαφορετικά. Εκτός από το νουκλεοειδές, υπάρχουν και πλασμίδια (μικρά κυκλικά μόρια DNA). Σχεδόν όλο το DNA μεταγράφεται (ενώ στους ευκαρυώτες συνήθως λιγότερο από το μισό).
Οι προκαρυώτες είναι σχεδόν πάντα απλοειδείς. Νέα κύτταρα σχηματίζονται με δυαδική σχάση, πριν από την οποία το νουκλεοειδές διπλασιάζεται. Οι προκαρυώτες δεν έχουν τις διεργασίες της μίτωσης και της μείωσης.
Τα ριβοσώματά τους είναι μικρότερα από τα ευκαρυωτικά.
Το κυτταρόπλασμα των προκαρυωτών είναι σχεδόν ακίνητο. Η κίνηση των αμοιβοειδών δεν είναι τυπική.
Οι ουσίες εισέρχονται στο προκαρυωτικό κύτταρο μέσω της όσμωσης.
Υπάρχουν αυτότροφα και ετερότροφα. Η αυτοτροφική μέθοδος διατροφής πραγματοποιείται όχι μόνο μέσω της φωτοσύνθεσης, αλλά και μέσω της χημειοσύνθεσης (η ενέργεια δεν προέρχεται από το ηλιακό φως, αλλά από χημικές αντιδράσεις οξείδωσης διαφόρων ουσιών).
Σύμφωνα με τη συμβιωτική υπόθεση, στη διαδικασία της εξέλιξης, τα μιτοχόνδρια και τα πλαστίδια εξελίχθηκαν από ορισμένες ομάδες προκαρυωτικών κυττάρων που εισέβαλαν σε άλλο κύτταρο.
Τα βακτηριακά κύτταρα έχουν ποικίλα σχήματα (ραβδόμορφα, στρογγυλά, σπειροειδή κ.λπ.). Έχουν πολύπλοκη κυτταρική μεμβράνη (αποτελούμενη από κυτταρικό τοίχωμα, κάψουλα, βλεννώδη θήκη), μαστίγια και λάχνες.
Εικόνα 1 - Εικόνα προκαρυωτικού κυττάρου
Εικόνα 4 - Δομή του μαστιγίου των gram-αρνητικών βακτηρίων.
1 - νήμα? 2 - γάντζος? 3 - βασικό σώμα. 4 - ράβδος? 5 - L-ring; 6 - P-ring; 7 - S-ring; 8 - M-ring; 9 - CPM; 10 - περιπλασματικός χώρος. 11 - στρώμα πεπτιδογλυκάνης. 12 - εξωτερική μεμβράνη
Η δομή των κυττάρων των κατώτερων προκαρυωτών είναι πολύ πιο απλή (Εικ. 1). Επιπλέον, η διαφορετική δομή της πυρηνικής συσκευής δεν είναι το μόνο χαρακτηριστικό που διακρίνει ένα ευκαρυωτικό κύτταρο από ένα προκαρυωτικό.
Ένα από τα κύρια δομικά συστατικά ενός προκαρυωτικού κυττάρου είναι κυτταρική μεμβράνη (Εικ. 2, 3). Η κυτταρική μεμβράνη των βακτηρίων περιλαμβάνει πολύπλοκα μοριακά σύμπλοκα που αποτελούνται από πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες και ουσίες που μοιάζουν με λίπος. Όντας άκαμπτο, χρησιμεύει ως ένα είδος σκελετού του κυττάρου, δίνοντάς του ένα συγκεκριμένο σχήμα. Η κυτταρική μεμβράνη των προκαρυωτικών σχηματίζει ένα είδος φραγμού για τη διέλευση των διαλυμένων ουσιών από το περιβάλλον στο κύτταρο. Τα κυανοβακτήρια καλύπτονται με ελαστικό κέλυφος πηκτίνης. Σε ορισμένους τύπους βακτηρίων, ένα στρώμα βλέννας σχηματίζεται στην επιφάνεια του κυττάρου, σχηματίζοντας ένα είδος θήκης - κάψουλα .
Οι επιφανειακές δομές των κυττάρων πολλών βακτηρίων περιλαμβάνουν μαστίγια - όργανα κίνησης που είναι μακριά, πολύ λεπτά νημάτια, σπειροειδή, κυματιστά ή καμπύλα (Εικ. 4).
Εικόνα 3 - Κυτταρικό τοίχωμα αρνητικών κατά Gram βακτηρίων (Α) και η δομή του μορίου λιποπολυσακχαρίτη (Β).
Α. Κυτταρικό τοίχωμα αρνητικών κατά Gram βακτηρίων 1 - κυτταροπλασματική μεμβράνη. 2 - στρώμα πεπτιδογλυκάνης. 3 - περιπλασματικός χώρος. 4 - μόρια πρωτεΐνης. 5 - φωσφολιπίδιο; 6 - λιποπολυσακχαρίτης.
Β. Η δομή του μορίου λιποπολυσακχαρίτη 1 - λιπίδιο Α. 2 - εσωτερικός πυρήνας πολυσακχαρίτη. 3 - εξωτερικός πυρήνας πολυσακχαρίτη. 4 - Ο-αντιγόνο
Το μήκος των μαστιγίων μπορεί να είναι πολλές φορές μεγαλύτερο από το μήκος του σώματος του βακτηρίου. Ο αριθμός και η θέση των μαστιγίων είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα του είδους. Μερικοί τύποι βακτηρίων έχουν ένα μαστίγιο ( μονότριχες ), σε άλλα τα μαστίγια βρίσκονται σε δέσμες στο ένα ή και στα δύο άκρα του κυττάρου ( λοφοτρίχες ), άλλοι έχουν ένα μαστίγιο και στα δύο άκρα του κυττάρου ( αμφίτριχοι ), στο τέταρτο καλύπτουν ολόκληρη την επιφάνεια του κυττάρου ( περιτριχώδης ).
Η κυτταροπλασματική μεμβράνη είναι στενά γειτονική με το κέλυφος. Έχει επιλεκτική διαπερατότητα - επιτρέπει σε ορισμένες ουσίες να εισέλθουν στο κύτταρο και να αφαιρέσουν ορισμένες ουσίες από αυτό. Χάρη σε αυτή την ικανότητα, η μεμβράνη παίζει το ρόλο ενός οργανιδίου που συγκεντρώνει τα θρεπτικά συστατικά μέσα στο κύτταρο και διευκολύνει την απομάκρυνση των άχρηστων προϊόντων προς τα έξω. Μέσα στο κύτταρο υπάρχει πάντα αυξημένη οσμωτική πίεση σε σχέση με το περιβάλλον. Η κυτταροπλασματική μεμβράνη εξασφαλίζει τη μονιμότητά της. Επιπλέον, είναι ο τόπος εντοπισμού ενός αριθμού ενζυμικών συστημάτων, ιδιαίτερα των οξειδοαναγωγικών ενζύμων που σχετίζονται με την παραγωγή ενέργειας (στους ευκαρυώτες βρίσκονται στα μιτοχόνδρια). Σε αντίθεση με τα ευκαρυωτικά κύτταρα, ένα προκαρυωτικό κύτταρο δεν χωρίζεται σε διαμερίσματα. Τα προκαρυωτικά κύτταρα δεν έχουν ούτε το σύμπλεγμα Golgi ούτε τα μιτοχόνδρια και δεν υπάρχει κατευθυντική κίνηση του κυτταροπλάσματος σε αυτά. Τα φαινόμενα πινοκύττωσης και φαγοκυττάρωσης δεν είναι χαρακτηριστικά των προκαρυωτών. Από τα οργανίδια, μόνο τα ριβοσώματα είναι παρόμοια με τα ριβοσώματα των ευκαρυωτών.
Πολλά βακτηριακά κύτταρα έχουν ειδικές δομές μεμβράνης - μεσοσώματα που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της συστολής της κυτταροπλασματικής μεμβράνης μέσα στο κύτταρο. Ο ρόλος τους δεν έχει ακόμη πλήρως αποσαφηνιστεί. Υπάρχουν υποθέσεις για τη συμμετοχή των μεσοσωμάτων στις πιο σημαντικές ενδοκυτταρικές διεργασίες κυτταρικής διαίρεσης, σύνθεσης ουσιών της κυτταρικής μεμβράνης και στον ενεργειακό μεταβολισμό.
Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί μπορούν να ταξινομηθούν σε μία από τις δύο ομάδες (προκαρυώτες ή ευκαρυώτες) ανάλογα με τη βασική δομή των κυττάρων τους. Οι προκαρυώτες είναι ζωντανοί οργανισμοί που αποτελούνται από κύτταρα που δεν έχουν κυτταρικό πυρήνα και μεμβρανικά οργανίδια. Οι ευκαρυώτες είναι ζωντανοί οργανισμοί που περιέχουν πυρήνα και μεμβρανικά οργανίδια.
Το κύτταρο είναι ένα θεμελιώδες συστατικό του σύγχρονου ορισμού της ζωής και των ζωντανών όντων. Τα κύτταρα θεωρούνται τα βασικά δομικά στοιχεία της ζωής και χρησιμοποιούνται για τον ορισμό του τι σημαίνει να είσαι «ζωντανός».
Ας δούμε έναν ορισμό της ζωής: «Τα ζωντανά πράγματα είναι χημικές οργανώσεις που αποτελούνται από κύτταρα και ικανές να αναπαραχθούν» (Keaton, 1986). Αυτός ο ορισμός βασίζεται σε δύο θεωρίες - τη θεωρία των κυττάρων και τη θεωρία της βιογένεσης. προτάθηκε για πρώτη φορά στα τέλη της δεκαετίας του 1830 από τους Γερμανούς επιστήμονες Matthias Jakob Schleiden και Theodor Schwann. Υποστήριξαν ότι όλα τα ζωντανά όντα αποτελούνται από κύτταρα. Η θεωρία της βιογένεσης, που προτάθηκε από τον Rudolf Virchow το 1858, δηλώνει ότι όλα τα ζωντανά κύτταρα προέρχονται από υπάρχοντα (ζωντανά) κύτταρα και δεν μπορούν να προκύψουν αυθόρμητα από μη ζωντανή ύλη.
Τα συστατικά των κυττάρων περικλείονται σε μια μεμβράνη, η οποία χρησιμεύει ως φράγμα μεταξύ του έξω κόσμου και των εσωτερικών συστατικών του κυττάρου. Η κυτταρική μεμβράνη είναι ένας επιλεκτικός φραγμός, που σημαίνει ότι επιτρέπει σε ορισμένες χημικές ουσίες να περάσουν για να διατηρήσουν την ισορροπία που είναι απαραίτητη για τη λειτουργία των κυττάρων.
Η κυτταρική μεμβράνη ρυθμίζει την κίνηση των χημικών ουσιών από κύτταρο σε κύτταρο με τους εξής τρόπους:
- διάχυση (η τάση των μορίων μιας ουσίας να ελαχιστοποιούν τη συγκέντρωση, δηλαδή η κίνηση των μορίων από μια περιοχή υψηλότερης συγκέντρωσης προς μια περιοχή χαμηλότερη μέχρι να εξισορροπηθεί η συγκέντρωση).
- όσμωση (η κίνηση των μορίων του διαλύτη μέσω μιας μερικώς διαπερατής μεμβράνης προκειμένου να εξισωθεί η συγκέντρωση μιας διαλυμένης ουσίας που δεν μπορεί να κινηθεί μέσω της μεμβράνης).
- επιλεκτική μεταφορά (με χρήση καναλιών μεμβράνης και αντλιών).
Οι προκαρυώτες είναι οργανισμοί που αποτελούνται από κύτταρα που δεν έχουν κυτταρικό πυρήνα ή οργανίδια συνδεδεμένα με τη μεμβράνη. Αυτό σημαίνει ότι το γενετικό υλικό DNA στα προκαρυωτικά δεν είναι δεσμευμένο στον πυρήνα. Επιπλέον, το DNA των προκαρυωτικών είναι λιγότερο δομημένο από αυτό των ευκαρυωτικών. Στους προκαρυώτες, το DNA είναι μονοκύκλωμα. Το ευκαρυωτικό DNA είναι οργανωμένο σε χρωμοσώματα. Τα περισσότερα προκαρυωτικά αποτελούνται από ένα μόνο κύτταρο (μονοκύτταρο), αλλά υπάρχουν μερικά που είναι πολυκύτταρα. Οι επιστήμονες χωρίζουν τους προκαρυώτες σε δύο ομάδες: και.
Ένα τυπικό προκαρυωτικό κύτταρο περιλαμβάνει:
- πλασματική (κυτταρική) μεμβράνη.
- κυτόπλασμα;
- ριβοσώματα;
- μαστίγια και πιλί?
- νουκλεοειδές;
- πλασμίδια;
Ευκαρυωτες
Οι ευκαρυώτες είναι ζωντανοί οργανισμοί των οποίων τα κύτταρα περιέχουν πυρήνα και μεμβρανικά οργανίδια. Στους ευκαρυώτες, το γενετικό υλικό βρίσκεται στον πυρήνα και το DNA είναι οργανωμένο σε χρωμοσώματα. Οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί μπορεί να είναι μονοκύτταροι ή πολυκύτταροι. είναι ευκαρυώτες. Οι ευκαρυώτες περιλαμβάνουν επίσης φυτά, μύκητες και πρωτόζωα.
Ένα τυπικό ευκαρυωτικό κύτταρο περιλαμβάνει:
- πυρήνας;
Η δομή ενός προκαρυωτικού κυττάρου φαίνεται σχηματικά στο Σχ. 1.3.
Ρύζι. 1.3. Δομή προκαρυωτικού κυττάρου
ΕΝΑ -επιφανειακές κυτταρικές δομές και εξωκυτταρικοί σχηματισμοί: 1 – κυτταρικό τοίχωμα; 2 – κάψουλα; 3 – βλεννώδης απόρριψη? 4 – υπόθεση; 5 – μαστίγια; 6 – λάχνες? Β -Δομές κυτταροπλασματικών κυττάρων: 7 – CPM; 8 – νουκλεοειδές; 9 – ριβοσώματα; 10 – κυτόπλασμα; 11 – χρωματοφόρα; 12 – χλωροσώματα; 13 – φυλλώδη θυλακοειδή; 14 – Φυκοβιλισώματα; 15 – σωληνοειδή θυλακοειδή? 16 – μεσόσωμα; 17 – αεροσώματα (κενά αερίων). 18 – ελασματοειδείς δομές; ΣΕ – ανταλλακτικές ουσίες: 19 – κόκκοι πολυσακχαρίτη; 20 – κοκκία πολυ-β-υδροξυβουτυρικού οξέος. 21 – πολυφωσφορικοί κόκκοι; 22 – κοκκία κυανοφυκίνης; 23 – καρβοξυσώματα (πολυεδρικά σώματα). 24 – εγκλείσματα θείου? 25 – σταγόνες λίπους? 26 – κόκκοι υδρογονάνθρακα
Οι δομές που βρίσκονται έξω από την κυτταροπλασματική μεμβράνη (CPM) ονομάζονται επιφάνεια. Περιλαμβάνουν το κυτταρικό τοίχωμα, τη βλεννογόνο ουσία, τα μαστίγια και τις λάχνες. Το κυτταρικό τοίχωμα μαζί με τη βλεννογόνο ουσία ονομάζεται κυτταρική μεμβράνηκαι το CPM μαζί με το κυτταρόπλασμα σχηματίζουν έναν πρωτοπλάστη.
Μαστίγιαείναι όργανα κίνησης. Ένα κύτταρο μπορεί να έχει από 1 έως 1000 μαστίγια, τα οποία βρίσκονται είτε στους πόλους είτε ομοιόμορφα σε ολόκληρη την επιφάνεια. Το πάχος του μαστιγίου είναι 10-20 nm, μήκος 3-15 μm. Με τη βοήθεια των μαστιγίων, τα βακτήρια κινούνται με ταχύτητα 20-60 μm/s προς την κατεύθυνση όπου οι συνθήκες ανάπτυξης είναι καλύτερες: υψηλότερη συγκέντρωση υποστρώματος, οξυγόνο, καλύτερος φωτισμός. Απουσία μαστιγίων, κύτταρα μικρότερα από 4 μm κινούνται στο υδατικό περιβάλλον λόγω της κίνησης Brown. Τα νηματοειδή βακτήρια μπορούν να κινούνται ολισθαίνοντας (ταχύτητα 2-11 μm/s), ωθώντας από ένα στερεό ή παχύρρευστο υπόστρωμα χρησιμοποιώντας μικροσκοπικές προεξοχές του κυτταρικού τοιχώματος.
Villi– λεπτά ευθύγραμμα νήματα μήκους 0,3-4 microns και διαμέτρου 5-10 nm. Δεν τα έχουν όλα τα βακτήρια. Δεν συμμετέχουν στην κίνηση των κυττάρων. Ο αριθμός των λαχνών μπορεί να κυμαίνεται από 10 έως αρκετές χιλιάδες. Υποτίθεται ότι οι λάχνες εμπλέκονται στη μεταφορά μεταβολιτών και στην προσκόλληση βακτηρίων σε στερεά υποστρώματα. Επιπλέον, ορισμένα βακτήρια (για παράδειγμα, το στέλεχος Κ12 του E. coli) έχουν σεξουαλικές πύλες που ονομάζονται F-pili. Υπάρχουν 1-2 ανά κελί. Τα F-pili μοιάζουν με κοίλους σωλήνες πρωτεΐνης, μήκους 0,5 έως 10 μm, μέσω των οποίων το DNA μπορεί να μεταφερθεί από ένα κύτταρο δότη σε ένα κύτταρο δέκτη.
Βλεννώδης ουσίακαλύπτει το κυτταρικό τοίχωμα σχεδόν όλων των προκαρυωτικών. Αποτελείται κυρίως από πολυσακχαρίτες, καθώς και από πρωτεΐνες, λιπίδια και άλλα πολυμερή. Ανάλογα με τη δομή και την ισχύ της σύνδεσης με το κυτταρικό τοίχωμα, η βλεννογόνος ουσία χωρίζεται σε 3 τύπους: στρώση λάσπης(έχει άμορφη δομή και διαχωρίζεται εύκολα από το κυτταρικό τοίχωμα), κάψουλα(έχει άμορφη δομή, αλλά είναι δύσκολο να διαχωριστεί από το κυτταρικό τοίχωμα), υπόθεση(έχει διατεταγμένη λεπτή δομή). Το πάχος του στρώματος της βλεννογόνου ουσίας ποικίλλει από κλάσματα των μικρών έως δεκάδες μικρά. Χάρη στη βλεννώδη ουσία, τα κύτταρα μπορούν να κολλήσουν μεταξύ τους σε μεγάλες αποικίες και να προσκολληθούν σε στερεές επιφάνειες. Επιπλέον, η βλέννα προστατεύει το κύτταρο από μηχανικές βλάβες, ξήρανση, διείσδυση βακτηριοφάγων και ορισμένων τοξικών ουσιών και μπορεί επίσης να χρησιμεύσει ως πηγή αποθεματικών θρεπτικών συστατικών.
Κυτταρικό τοίχωμαπαρέχει μηχανική αντοχή στο στοιχείο και του δίνει ένα συγκεκριμένο σχήμα. Αντέχει πίεση έως 30-100 atm (3-10 MPa). Το πάχος του τοιχώματος είναι 10-100 μικρά, η μάζα κυμαίνεται από 5 έως 50% της ξηρής ουσίας του κυττάρου. Το κυτταρικό τοίχωμα αποτελείται από επτά ομάδες ουσιών: πεπτιδογλυκάνη, τεϊχοϊκά οξέα, πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες, λιπίδια, λιποπολυσακχαρίτες, λιποπρωτεΐνες. Η πεπτιδογλυκάνη βρίσκεται μόνο στα τοιχώματα των προκαρυωτικών (απουσία στους ευκαρυώτες). Όσον αφορά τα συστατικά, τη δομή και τον μηχανισμό της βιοσύνθεσης, τα κυτταρικά τοιχώματα των βακτηρίων διαφέρουν θεμελιωδώς από αυτά των ζώων και των φυτών. Επομένως, τα φάρμακα που επηρεάζουν ειδικά τα βακτηριακά τοιχώματα και τη διαδικασία της σύνθεσής τους είναι αβλαβή για τους ανώτερους οργανισμούς.
Ανάλογα με τη δομή του κυτταρικού τοιχώματος, τα βακτήρια χωρίζονται σε 2 ομάδες: gram-θετικόΚαι gram-αρνητικό. Η διαίρεση βασίζεται στην ικανότητα αντίληψης της χρώσης Gram (ο H. Gram είναι ένας Δανός επιστήμονας που πρότεινε αυτή τη μέθοδο χρώσης το 1884). Η τεχνική χρώσης κατά Gram είναι η εξής. Τα σταθεροποιημένα κύτταρα υποβάλλονται σε επεξεργασία με βασική βαφή κρυσταλλικού ιώδους και στη συνέχεια με διάλυμα ιωδίου. Το ιώδιο σχηματίζει μια σύνθετη ένωση με το κρυσταλλικό ιώδες, αδιάλυτο στο νερό και ελάχιστα διαλυτό στο αλκοόλ. Όταν τα κύτταρα στη συνέχεια υποβάλλονται σε επεξεργασία με οινόπνευμα, λαμβάνει χώρα διαφοροποίηση των κυττάρων: στα θετικά κατά Gram είδη αυτό το σύμπλεγμα διατηρείται από το κύτταρο και παραμένουν έγχρωμα (μπλε), στα αρνητικά κατά Gram είδη το έγχρωμο σύμπλεγμα ξεπλένεται από τα κύτταρα και αποχρωματίζονται . Τα κυτταρικά τοιχώματα των Gram-θετικών και Gram-αρνητικών βακτηρίων διαφέρουν έντονα τόσο στη χημική σύνθεση όσο και στην υπερδομή (βλ. Εικ. 1.4).
Ρύζι. 1.4. Κυτταρικό τοίχωμα θετικών κατά Gram (Α) και αρνητικών κατά Gram (Β) βακτηρίων
1 - κυτταροπλασματική μεμβράνη; 2 - πεπτιδογλυκάνη; 3 - περιπλασματικός χώρος? 4 - εξωτερική μεμβράνη: 5 - κυτταρόπλασμα, στο κέντρο του οποίου βρίσκεται το DNA
Κυτοπλασματική μεμβράνη(CPM) είναι ένα υποχρεωτικό δομικό στοιχείο του κυττάρου, η παραβίαση της ακεραιότητας του οποίου προκαλεί τον θάνατό του. Το CPM είναι ένας πολύ μαλακός, πλαστικός, σχεδόν υγρός σχηματισμός, που αποτελείται από πρωτεΐνες (50-75%), λιπίδια (15-45%) και υδατάνθρακες (0-20%). Το πάχος του είναι 5-7,5 nm και το κλάσμα μάζας στο κελί είναι 8-15% της ξηρής ύλης. Το CPM χρησιμεύει ως οσμωτικό φράγμα και διασφαλίζει την επιλεκτική είσοδο και έξοδο διαφόρων μορίων και ιόντων στο κύτταρο και επίσης συμμετέχει στον μετασχηματισμό της κυτταρικής ενέργειας και των βιοσυνθετικών διεργασιών.
Κυτόπλασμαείναι ένα κολλοειδές διάλυμα υδατανθράκων, αμινοξέων, μετάλλων και άλλων ουσιών στο νερό. Περιέχει διάφορα δομικά στοιχεία: τη γενετική συσκευή (νουκλεοειδές), ριβοσώματα, μεμβράνες (δεν έχουν όλα τα προκαρυωτικά κύτταρα ενδοκυτταροπλασματικές μεμβράνες) και διάφορα εγκλείσματα.
Νουκλεοειδές- ένα μόριο DNA σε σχήμα κλειστού δακτυλίου στριμμένο σε μια διατεταγμένη μπάλα. Το νουκλεοειδές δεν διαχωρίζεται από το κυτταρόπλασμα με μεμβράνη και είναι πρακτικά αόρατο κάτω από ένα μικροσκόπιο φωτός. Το μόριο DNA (βακτηριακό χρωμόσωμα) όταν ξεδιπλωθεί έχει μήκος περίπου 1 mm, δηλ. 1000 φορές το μέγεθος του κυττάρου.
Πολλά βακτήρια, μαζί με το χρωμόσωμα DNA, περιέχουν επίσης εξωχρωμοσωμικό DNA, που αντιπροσωπεύεται επίσης από διπλές έλικες, κλειστό σε δακτύλιο και κουλουριασμένο σε μπάλα. Τέτοια εξωχρωμοσωμικά μόρια DNA ικανά για αυτόνομη αντιγραφή ονομάζονται πλασμίδια.
ΡιβοσώματαΤα προκαρυωτικά είναι σωματίδια μεγέθους 15-20 nm, που αποτελούνται από r-RNA (ριβοσωμικό RNA) και πρωτεΐνη σε αναλογία 2:1. Η πρωτεϊνοσύνθεση πραγματοποιείται σε ριβοσώματα με τη συμμετοχή του αγγελιαφόρου RNA (i-RNA) και του RNA μεταφοράς (t-RNA). Τα ριβοσώματα που συνδέονται σαν σφαιρίδια σε μια αλυσίδα mRNA ονομάζονται πολυριβοσώματα ή πολυσώματα. Ανάλογα με τη δραστηριότητα της πρωτεϊνικής σύνθεσης, ένα βακτηριακό κύτταρο μπορεί να περιέχει από 5 έως 50 χιλιάδες ριβοσώματα.
Ενδοπλασματικά εγκλείσματααντιπροσωπεύονται από κόκκους εφεδρικών ουσιών (πολυσακχαρίτες, λιπίδια, πολυπεπτίδια, πολυφωσφορικά, εναποθέσεις θείου) και κενοτόπια αερίων που παρέχουν την άνωση των υδρόβιων μικροοργανισμών.
Η είσοδος θρεπτικών ουσιών στο προκαρυωτικό κύτταρο και η έξοδος προϊόντων από αυτό συμβαίνει μέσω ολόκληρης της κυτταρικής επιφάνειας. Το βλεννώδες στρώμα είναι πολύ χαλαρό και δεν αποτελεί εμπόδιο στη διείσδυση ουσιών. Αλλά η διάχυση σε αυτό το στρώμα είναι πιο αργή από ότι στο νερό (περίπου 5 φορές). Μικρά μόρια και ιόντα διεισδύουν εύκολα στο κυτταρικό τοίχωμα. Μεγάλα μόρια με μοριακό βάρος πάνω από 600 D (D - dalton, 1 D = 1,66 10 -27 kg) διασπώνται προκαταρκτικά από εξωκυτταρικά ένζυμα σε ενώσεις χαμηλού μοριακού βάρους.
Η κυτταροπλασματική μεμβράνη παίζει ενεργό ρόλο στη διαδικασία των θρεπτικών ουσιών που εισέρχονται στο κύτταρο. Υπάρχουν τέσσερις μηχανισμοί για τη μεταφορά ουσιών μέσω του CPM: παθητική διάχυση, διευκολυνόμενη διάχυση, ενεργητική μεταφορά, μεταφορά (μετακίνηση) ομάδων.
Παθητική (απλή) διάχυση– ανεξάρτητη διέλευση ουσιών μέσω του CPM λόγω της διαφοράς στις συγκεντρώσεις και στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Η κύρια ουσία που εισέρχεται και εξέρχεται από το κύτταρο με αυτόν τον μηχανισμό είναι το νερό. Πιθανώς, αέρια χαμηλού μοριακού βάρους (οξυγόνο, υδρογόνο, άζωτο), καθώς και δηλητήρια, αναστολείς και άλλες ουσίες ξένες προς το κύτταρο, εισέρχονται στο κύτταρο μέσω απλής διάχυσης.
Διευκολυνόμενη διάχυση– η διέλευση ουσιών μέσω του CPM κατά μήκος μιας βαθμίδας συγκέντρωσης με τη βοήθεια πρωτεϊνών-φορέων (περμεασών), οι οποίες συνδέονται αναστρέψιμα με τη μεταφερόμενη ουσία. Κανονικά, αυτός ο μηχανισμός χρησιμοποιείται μερικές φορές για την είσοδο και έξοδο οργανικών ουσιών χαμηλού μοριακού βάρους από το κύτταρο, αλλά πιο συχνά ενεργοποιείται μόνο όταν διαταράσσονται οι ενδοκυτταρικές διεργασίες.
Ενεργή μεταφορά- μια διαδικασία παρόμοια με τη διευκολυνόμενη διάχυση, αλλά πραγματοποιείται με τη δαπάνη της κυτταρικής ενέργειας και επιτρέπει τη μεταφορά ουσιών έναντι μιας βαθμίδας συγκέντρωσης. Αυτός ο μηχανισμός είναι ο κύριος τρόπος με τον οποίο τα μόρια και τα ιόντα εισέρχονται στο προκαρυωτικό κύτταρο.
Μετατόπιση ομάδων- μια διαδικασία παρόμοια με την ενεργή μεταφορά, αλλά συνοδεύεται από χημική τροποποίηση του μορίου κατά τη μεταφορά μέσω του CPM. Για παράδειγμα, τα σάκχαρα (γλυκόζη, φρουκτόζη κ.λπ.) υφίστανται φωσφορυλίωση (προσθήκη φωσφορικού άλατος για να σχηματιστεί ένας φωσφορικός εστέρας).