PROKARIÓTA SEJT: JELLEMZŐK, SEJT SZERKEZETE, TÍPUSAI - BIOLÓGIA - 2025

A prokarióta sejtek egyszerűek és nem tartalmaznak sejtmagot, amelyet plazmamembránszerkezetek határolnak. Az ehhez a sejttípushoz kapcsolódó organizmusok egysejtűek, bár képesek csoportosulni és másodlagos struktúrákat, például láncokat képezni.

A Carl Woese által javasolt három életterület közül a prokarióták a baktériumoknak és az Archaea-nak felelnek meg. A fennmaradó domént, az Eucarya-t nagyobb, összetettebb eukarióta sejtek alkotják, körülhatárolt maggal.

Prokarióta sejt. Forrás: Ali Zifan, a Wikimedia Commonsból

A biológiai tudományok egyik legfontosabb dichotómiája az eukarióta és a prokarióta sejtek közötti különbségtétel. A prokarióta organizmus történelmileg egyszerűnek tekinthető, belső szervezettség nélkül, organellák nélkül és citoszkeleton nélkül. Új bizonyítékok azonban megsemmisítik ezeket a paradigmákat.

Például olyan prokariótákban azonosítottak struktúrákat, amelyek potenciálisan organelláknak tekinthetők. Hasonlóképpen találtak olyan fehérjéket, amelyek homológok az eukarióták fehérjéivel, amelyek a citoszkeletont képezik.

A prokarióták táplálkozásuk szempontjából nagyon változatosak. Energiaforrásként felhasználhatják a napfényt és a kémiai kötésekben levő energiát. Különböző szénforrásokat is felhasználhatnak, például szén-dioxidot, glükózt, aminosavakat, fehérjéket.

A prokarióták aszexuálisan osztódnak bináris hasadással. Ebben a folyamatban a szervezet replikálja a kör alakú DNS-ét, növeli a térfogatát, és végül két azonos sejtre osztódik.

Vannak olyan mechanizmusok a genetikai anyag cseréjére, amelyek variabilitást generálnak a baktériumokban, például transzdukció, konjugáció és transzformáció.

Általános tulajdonságok

A prokarióták viszonylag egyszerű egysejtű szervezetek. A legszembetűnőbb tulajdonság, amely ezt a csoportot azonosítja, a valódi mag hiánya. Két nagy ágra oszlanak: valódi baktériumok vagy eubakteriák és régészek.

Szinte az összes elképzelhető élőhelyet gyarmatosították, a viztől és a talajtól kezdve más szervezetek, köztük az emberek belsejébe. Pontosabban, az archebaktériumok szélsőséges hőmérsékleti, sós és pH-értékű területeken laknak.

Szerkezet

Átlagos prokarióta sejt.

A tipikus prokarióta építészeti vázlata kétségtelenül az Escherichia coli, egy baktérium vázlata, amely normál esetben emésztőrendszerünkben lakik.

A cella alakja rúdra emlékeztet, átmérője 1 um és hossza 2 um. A prokariótákat egy sejtfal veszi körül, főleg poliszacharidokból és peptidekből állva.

A baktériumsejtfal nagyon fontos tulajdonság, és szerkezetétől függően lehetővé teszi a két nagy csoportba sorolási rendszer létrehozását: gram-pozitív és gram-negatív baktériumok.

A sejtfal követi egy lipid jellegű membránt (egy közös elem a prokarióták és az eukarióták között), amelybe beágyazott protéziselemek sorozata választja el a szervezetet a környezetétől.

A DNS egy kör alakú molekula, amely egy meghatározott régióban helyezkedik el, és amelynek nincs semmilyen membránja vagy elválasztása a citoplazmával.

A citoplazma durva megjelenésű, körülbelül 3000 riboszómával rendelkezik - a fehérje szintézisért felelős struktúrákkal.

A prokarióták típusai

A jelenlegi prokarióták a baktériumok széles változatosságából állnak, amelyeket két nagy doménre osztanak: eubakteriák és régészek. A bizonyítékok szerint ezek a csoportok az evolúció nagyon korai szakaszában tűntek el.

Az archebaktériumok olyan prokarióták egy csoportja, amelyek általában szokatlan körülmények között, például hőmérsékleten vagy magas sótartalmú környezetben élnek. Ezek a körülmények manapság ritkák, de a korai földön előfordulhattak.

Például a termoacidofilek olyan területeken élnek, ahol a hőmérséklet eléri a maximum 80 ° C-ot és a pH 2-t.

Az eubakteriák viszont olyan környezetben élnek, amely közös nekünk, embereknek. Betelepedhetnek a talajba, a vízbe, vagy más szervezetekben élhetnek, mint például az emésztőrendszerünk részét képező baktériumok.

A prokarióták morfológiája

A baktériumok nagyon változatos és heterogén morfológiák sorozatát képezik. A leggyakoribbak között van a lekerekített kókuszdió. Ezek előfordulhatnak külön-külön, párban, láncban, tetradeban stb.

Néhány baktérium morfológiai szempontból hasonló egy bothoz, és bacillusnak nevezik őket. Mint a kókuszdió, ezek többféle egyezéssel is megtalálhatók. Spirál alakú spirochetokat és vessző vagy szem alakú vibrókat is találunk.

A leírt morfológiák mindegyike fajonként változhat - például egy bacillus hosszabb lehet, mint egy másik, vagy lekerekített szélekkel -, és hasznosak a fajok azonosításakor.

Reprodukció

Aszexuális szaporodás

A baktériumokban történő szaporodás nem szexuális, és bináris hasadással történik. Ebben a folyamatban a szervezet szó szerint "ketté hasad", és így a kezdeti szervezet klónjai alakulnak ki. Ehhez elegendő forrást kell rendelkezésre bocsátani.

A folyamat viszonylag egyszerű: kör alakú DNS replikálódik, két azonos kettős heliként képezve. Később a genetikai anyag beilleszkedik a sejtmembránba, és a sejt növekedni kezd, amíg mérete megduplázódik. A sejt végül megosztódik, és minden kapott résznek kör alakú DNS-másolata van.

Egyes baktériumokban a sejtek megoszthatják az anyagot és növekedhetnek, de nem osztódnak teljesen, és valamilyen láncot képeznek.

További genetikai variabilitás források

Géncsere-események vannak a baktériumok között, amelyek lehetővé teszik a genetikai transzfert és a rekombinációt - ez egy olyan folyamat, amely hasonló ahhoz, amit mi szexuális szaporodásnak ismerünk. Ezek a mechanizmusok a konjugáció, transzformáció és transzdukció.

A konjugáció a genetikai anyag cseréjét jelenti két baktérium között a finom szőrszálakhoz hasonló struktúrán keresztül, amelyet úgynevezett pili vagy fimbriae-nek hívnak, amely „hídként” működik. Ebben az esetben mindkét személy között fizikai közelségnek kell lennie.

A transzformáció magában foglalja a környezetben található csupasz DNS-fragmentumok elvételét. Vagyis ebben a folyamatban a második szervezet jelenléte nem szükséges.

Végül transzlációnk van, ahol a baktérium megszerezte a genetikai anyagot egy vektoron keresztül, például bakteriofágok (baktériumokat fertőző vírusok) révén.

Táplálás

A baktériumoknak olyan anyagokra van szükségük, amelyek garantálják a túlélést és biztosítják számukra a sejtes folyamatokhoz szükséges energiát. A sejt felszívja ezeket a tápanyagokat.

Általánosságban elmondhatjuk, hogy a tápanyagokat alapvető vagy bázikus (víz, szénforrások és nitrogéntartalmú vegyületek), szekunder (például egyes ionok: kálium és magnézium) és nyomelemekre lehet osztályozni, amelyek minimális koncentrációban szükségesek (vas, kobalt).

Egyes baktériumoknak speciális növekedési faktorokra, például vitaminokra és aminosavakra, valamint stimuláló faktorokra van szükségük, amelyek - bár nem nélkülözhetetlenek - segítenek a növekedési folyamatban.

A baktériumok táplálkozási igényei nagymértékben változnak, de tudásuk szükséges ahhoz, hogy hatékony tápközeget készítsenek az érdeklődésre számot tartó szervezet növekedése érdekében.

Táplálkozási kategóriák

A baktériumokat az általuk használt szénforrás szerint lehet osztályozni, akár szerves, akár szervetlen, és az energiatermelés forrásától függően.

A szénforrás szerint két csoport van: az autotrofok vagy a litotrófok szén-dioxidot használnak, a heterotrofok vagy organotrófok pedig egy szerves szénforrást igényelnek.

Az energiaforrás esetében két kategóriánk is van: fototrófok, amelyek a napból származó energiát vagy sugárzó energiát használnak, és kemotrófok, amelyek a kémiai reakciók energiájától függnek. Így mindkét kategória kombinálásával a baktériumokat az alábbiakba lehet sorolni:

Photoautotrophs

Napfényből nyernek energiát - ami azt jelenti, hogy fotoszintetikusan aktívak - és szénforrásuk szén-dioxid.

Photoheterotrophs

Képesek sugárzó energiát felhasználni fejlődésükhöz, de nem képesek beépíteni szén-dioxidot. Ezért más szénforrásokat használnak, mint például alkoholok, zsírsavak, szerves savak és szénhidrátok.

Chemoautotrophs

Kémiai reakciókból nyernek energiát, és képesek beépíteni a szén-dioxidot.

Chemoheterotrophs

A kémiai reakciókból származó energiát használják, és a szén szerves vegyületekből származik, mint például a glükóz - amely a leggyakrabban használt - lipidek és fehérjék. Vegye figyelembe, hogy az energiaforrás és a szénforrás mindkét esetben azonos, ezért nehéz különbséget tenni a kettő között.

Általában az emberi kórokozóknak tekinthető mikroorganizmusok ebbe az utolsó kategóriába tartoznak, és szénforrásként gazdasejtjeik aminosavait és lipidvegyületeit használják.

Anyagcsere

A metabolizmus magában foglalja az összes bonyolult, enzim által katalizált kémiai reakciót, amely a szervezetben zajlik, hogy kifejlődjön és szaporodjon.

Baktériumokban ezek a reakciók nem különböznek az alapvető folyamatoktól, amelyek a bonyolultabb szervezetekben fordulnak elő. Valójában több olyan útvonalunk van, amelyeket a szervezetek mindkét vonala megoszt, például a glikolízis.

A metabolikus reakciókat két nagy csoportba lehet sorolni: bioszintézis vagy anabolikus reakciók és bomlás- vagy katabolikus reakciók, amelyek kémiai energia előállításához vezetnek.

A katabolikus reakciók szakaszos módon bocsátják ki az energiát, amelyet a test az összetevőinek bioszintézisére felhasznál.

Alapvető különbségek az eukarióta sejtektől

A prokarióták különböznek a prokariótáktól elsősorban a sejt szerkezeti összetettségében és a benne zajló folyamatokban. Az alábbiakban leírjuk a két vonal közötti fő különbségeket:

Méret és összetettség

Általában a prokarióta sejtek kisebbek, mint az eukarióta sejtek. Az előbbiek átmérője 1 és 3 μm között van, szemben az eukarióta sejtekkel, amelyek elérhetik a 100 um-t. Van azonban néhány kivétel.

Noha a prokarióta organizmusok egysejtűek, szabad szemmel nem tudjuk őket megfigyelni (kivéve, ha például baktériumtelepeket figyelünk meg), a két csoport megkülönböztetésére nem szabad jellemzőt használni. Az eukariótákban egysejtű organizmusokat is találunk.

Valójában az egyik legbonyolultabb sejt az egysejtű eukarióták, mivel tartalmazniuk kell a fejlődésükhöz szükséges összes struktúrát, amely egy sejtmembránban van. A Paramecium és a Trypanosoma nemzetség figyelemre méltó példái erre.

Másrészt vannak rendkívül összetett prokarióták, például cianobaktériumok (egy prokarióta csoport, ahol a fotoszintetikus reakciók fejlődtek).

Mag

A "prokarióta" szó egymag hiányára utal (pro = előtte; karión = mag), míg az eukarióták valódi maggal rendelkeznek (eu = igaz). Így e két csoportot elválasztja e fontos organellek jelenléte.

A prokariótákban a genetikai anyag eloszlik a sejt egy specifikus régiójában, az úgynevezett nukleoidnak - és ez nem egy valódi mag, mert nem határolja egy lipid membrán.

Az eukariótáknak meghatározott magja van és kettős membrán veszi körül. Ez a szerkezet rendkívül bonyolult, különféle területeket mutat be, mint például a magda. Ezenkívül ez az organell kölcsönhatásba léphet a sejt belső környezetével, a nukleáris pórusok jelenléte révén.

A genetikai anyag szervezése

A prokarióták 0,6–5 millió bázispárt tartalmaznak a DNS-ben, és becslések szerint akár 5000 különböző fehérjét kódolhatnak.

A prokarióta gének operonoknak nevezett entitásokba szerveződnek - mint például a jól ismert laktóz operon -, míg az eukarióta gének nem.

A génekben megkülönböztethetünk két "régiót": intront és exont. Az előbbiek olyan részek, amelyek nem kódolják a fehérjét, és megszakítják a kódoló régiókat, úgynevezett exonokat. Az intronok gyakoriak az eukarióta génekben, a prokariótákban azonban nem.

A prokarióták általában haploidok (egyetlen genetikai terhelés), és az eukarióták haploid és poliploid terhelések is vannak. Például, mi emberek diploidok vagyunk. Hasonlóképpen, a prokariótákban van egy kromoszóma, és az eukariótákban egynél több.

A genetikai anyag tömörítése

A sejtmagban az eukarióták komplex DNS-szervezetet mutatnak. Egy hosszú (körülbelül két méter hosszú) DNS-lánc képes úgy csavarni, hogy integrálódjon a magba, és az osztódási folyamatok során a mikroszkóp alatt kromoszómák formájában láthatóvá váljon.

Ez a DNS-tömörítési folyamat egy olyan fehérje sorozatot foglal magában, amelyek képesek kötődni a szálhoz, és szerkezeteket képeznek, amelyek hasonlítanak egy gyöngy nyakláncra, ahol a szálat a DNS képviseli, a gyöngyöket pedig a gyöngy. Ezeket a fehérjéket hisztonoknak nevezzük.

A hisztonok az evolúció során széles körben megőrződtek. Más szavakkal, hisztoneink hihetetlenül hasonlítanak egy egéréhez, vagy ha tovább mennek a rovaréé. Szerkezetükben nagy számban vannak pozitív töltésű aminosavak, amelyek kölcsönhatásba lépnek a DNS negatív töltésével.

A prokariótákban bizonyos hisztonokkal homológ fehérjéket találtak, amelyek általában hisztonszerűek. Ezek a fehérjék hozzájárulnak a génexpresszió, a rekombináció és a DNS replikáció szabályozásához, és hasonlóan az eukarióták hisztonjaihoz, részt vesznek a nukleoidok szervezésében.

Sejtszervecskék

Az eukarióta sejtekben rendkívül komplex szubcelluláris rekeszek azonosíthatók, amelyek specifikus funkciókat hajtanak végre.

A legrelevánsabbak a mitokondriumok, amelyek felelősek a sejtek légzéséért és az ATP előállításáért, és a növényekben a kloroplasztok kiemelkednek, három membránrendszerükkel és a fotoszintézishez szükséges gépekkel.

Hasonlóképpen, van egyebek között a Golgi komplex, sima és durva endoplazmatikus retikulum, vákuumok, lizoszómák, peroxiszómák.

Riboszóma szerkezet

A riboszómák

A riboszómák tartalmazzák a fehérje szintéziséhez szükséges gépeket, tehát mind az eukarióta, mind a prokarióta jelen kell lennie. Noha ez nélkülözhetetlen szerkezet mindkettő számára, elsősorban méretében különbözik.

A riboszómák két alegységből állnak: egy nagy és egy kicsi. Mindegyik alegységet egy paraméter azonosítja, amelyet az ülepedési együtthatónak hívnak.

Prokariótákban a nagy alegység 50S, a kis alegység 30S. A teljes szerkezetet 70S-nek hívják. A riboszómák szétszórtak a citoplazmában, ahol elvégzik feladataikat.

Az eukarióták nagyobb riboszómákkal rendelkeznek, a nagy alegység 60S, a kis alegység 40S, és az egész riboszómát 80S-nek jelöljük. Ezek elsősorban a durva endoplazmatikus retikulumba vannak rögzítve.

Sejtes fal

A sejtfal elengedhetetlen elem az ozmotikus stressz kezelésében, és védőgátként szolgál a lehetséges károsodások ellen. Szinte minden prokarióta és néhány eukarióta csoport rendelkezik sejtfallal. A különbség annak kémiai természetében rejlik.

A baktériumfal peptidoglikánból áll, egy olyan polimerből, amely két szerkezeti elemből áll: N-acetil-glükozamin és N-acetilmuraminsav, amelyeket β-1,4 típusú kötések kötnek össze.

Az eukarióta vonalon belül falsejtek is vannak, főleg néhány gombában és minden növényben. A gombák falában a leggyakoribb vegyület a kitin, a növényekben a cellulóz, egy polimer, amely sok glükóz egységből áll.

Sejtosztódás

Amint azt korábban tárgyaltuk, a prokarióták bináris hasadással osztódnak. Az eukariótáknak bonyolult megosztási rendszere van, amely magában foglalja a nukleáris megosztás különböző stádiumait, akár mitózist, akár meiosist.

Filogenia és osztályozás

Általában hozzászoktunk egy faj meghatározásához az E. Mayr által 1989-ben javasolt biológiai koncepció alapján: "a fajok között élő fajok között létrejövő, egymással szaporodó természetes populációk olyan csoportjai, amelyek reproduktív módon izoláltak más csoportoktól".

Ezt a fogalmat nem lehet alkalmazni az aszexuális fajokra, mint a prokarióták esetében. Ezért másfajta módon kell megközelíteni a fajok fogalmát ezen organizmusok osztályozása érdekében.

Rosselló-Mora et al. (2011) szerint a filo-fenetikus koncepció jól illeszkedik ehhez a vonalhoz: „az egyes organizmusok monofiletikus és genomikusan koherens halmaza, amely számos független tulajdonságban nagyfokú általános hasonlóságot mutat, és diszkriminatív fenotípusos tulajdonsággal diagnosztizálható”.

Korábban az összes prokariótát egyetlen "tartományba" sorolták be, míg Carl Woese azt javasolta, hogy az életfának három fő ága legyen. Ezt a besorolást követően a prokarióták két domént tartalmaznak: Archaea és baktériumok.

A baktériumokon belül öt csoportot találunk: proteobaktériumok, chlamydia, cianobaktériumok spirochetes és gram pozitív baktériumok. Hasonlóképpen, négy fő archaea csoportunk van: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard és DPANN Group.

Új betekintés

A biológia egyik legelterjedtebb fogalma a prokarióta citoszol egyszerűsége. Új bizonyítékok arra utalnak, hogy a prokarióta sejtekben potenciális szervezet lehet. Jelenleg a tudósok megkísérelik lebontani a szervelek, a citoszkeleton és egyéb tulajdonságok hiányának dogmáját ebben az egysejtű vonalban.

Organellák prokariótákban

Ennek a nagyon újszerű és ellentmondásos javaslatnak a szerzői biztosítják, hogy az eukarióta sejtekben vannak kompartíciós szintek, elsősorban a fehérjék és az intracelluláris lipidek által határolt struktúrákban.

Ennek az ötletnek a védelmezői szerint az organellek olyan rekesz, amelyet biológiai membrán vesz körül, sajátos biokémiai funkcióval. Ezen "definíciónak megfelelő" organellák között többek között lipid testek, karboxi-szomerek, gáz-vákuolok találhatók.

magnetoszómák

A baktériumok egyik legérdekesebb része a magnetoszómák. Ezek a struktúrák kapcsolódnak bizonyos baktériumok - például a Magnetospirillum vagy a Magnetococcus - képességéhez, hogy mágneses tereket használjon a tájoláshoz.

Szerkezetileg egy kicsi, 50 nanométeres test, amelyet egy lipid membrán vesz körül, amelynek belseje mágneses ásványokból áll.

Fotoszintézis membránok

Ezenkívül néhány prokarióta „fotoszintetikus membránnal” rendelkezik, amelyek ezekben a szervezetekben a leginkább vizsgált kompartmentek.

Ezek a rendszerek a fotoszintézis hatékonyságának maximalizálására, a rendelkezésre álló fotoszintézisfehérjék számának növelésére és a fénynek kitett membrán felület maximalizálására szolgálnak.

Rekeszek

Nem volt lehetséges nyomon követni egy valószínű evolúciós utat e korábban említett kompartmentekről az eukarióták rendkívül összetett organelláira.

A Planctomycetes nemzetségben azonban számos olyan rekesz található, amelyek magukra a szerves fajokra emlékeztetnek, és eukarióták baktériumölőjévé válhatnak. A Pirellula nemzetségben vannak kromoszómák és riboszómák, amelyeket biológiai membránok vesznek körül.

A citoszkeleton alkotóelemei

Hasonlóképpen vannak bizonyos fehérjék, amelyeket történelmileg az eukariótákra egyedinek tekintették, beleértve a citoszkeleton részét képező esszenciális szálakat: tubulin, aktin és közbenső filamentumok.

A közelmúltbeli vizsgálatok során sikerült azonosítani a tubulinnal (FtsZ, BtuA, BtuB és mások) homológ fehérjéket, aktint (MreB és Mb1) és köztes filamenteket (CfoA).

Irodalom

1. Cooper, GM (2000). A cella: Molekuláris megközelítés. Sinauer Associates.
2. Dorman, CJ, és Deighan, P. (2003). A gén expressziójának szabályozása hisztonszerű fehérjékkel baktériumokban. Jelenlegi vélemény a genetikában és a fejlődésben, 13. (2), 179-184.
3. Guerrero, R. és Berlanga, M. (2007). A prokarióta sejt rejtett oldala: a mikrobiális világ újbóli felfedezése. International Microbiology, 10 (3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M., és Komeili, A. (2010). A prokarióta organellák sejtbiológiája. A Cold Spring Harbor biológiai perspektívái, a000422.
5. Rosselló-Mora, R., és Amann, R. (2001). A prokarióták fajkoncepciója. A FEMS mikrobiológiai áttekintése, 25. (1), 39–67.
6. Slesarev, AI, Belova, GI, Kozyavkin, SA, & Lake, JA (1998). Bizonyítékok a H2A és H4 hisztonok korai prokarióta eredetére az eukarióták megjelenése előtt. Nukleinsavak kutatása, 26 (2), 427-430.
7. Souza, WD (2012). Prokarióta sejtek: a citoszkeleton és az organellák szerkezeti felépítése. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 107 (3), 283-293.