PROKARYOTICKÁ BUNKA: CHARAKTERISTIKA, ŠTRUKTÚRA BUNIEK, TYPY - BIOLÓGIE - 2026

Medzi prokaryotické bunky sú jednoduché a bez jadra ohraničené plazma membránových štruktúr. Organizmy spojené s týmto bunkovým typom sú jednobunkové, aj keď sa môžu zoskupovať a tvoriť sekundárne štruktúry, napríklad reťazce.

Z troch domén života, ktoré navrhol Carl Woese, prokaryoty zodpovedajú baktériám Bacteria a Archaea. Zostávajúca doména, Eucarya, sa skladá z väčších, komplexnejších eukaryotických buniek s oddeleným jadrom.

Prokaryotická bunka. Zdroj: Ali Zifan z Wikimedia Commons

Jednou z najdôležitejších dichotómií v biologických vedách je rozlíšenie medzi eukaryotickou a prokaryotickou bunkou. Historicky sa prokaryotický organizmus považuje za jednoduchý, bez vnútornej organizácie, bez organel a bez cytoskeletu. Tieto paradigmy však ničia nové dôkazy.

Napríklad v prokaryotoch boli identifikované štruktúry, ktoré možno potenciálne považovať za organely. Podobne sa našli proteíny homológne s proteínmi eukaryot, ktoré tvoria cytoskelet.

Prokaryoty sa z hľadiska výživy veľmi líšia. Ako zdroj energie môžu využívať svetlo zo slnka a energiu obsiahnutú v chemických väzbách. Môžu tiež používať rôzne zdroje uhlíka, napríklad oxid uhličitý, glukózu, aminokyseliny, proteíny.

Prokaryoty sa delia asexuálne binárnym štiepením. V tomto procese organizmus replikuje svoju cirkulárnu DNA, zväčšuje svoj objem a nakoniec sa delí na dve identické bunky.

Existujú však mechanizmy na výmenu genetického materiálu, ktoré spôsobujú variabilitu baktérií, ako je transdukcia, konjugácia a transformácia.

Všeobecné charakteristiky

Prokaryoty sú relatívne jednoduché jednobunkové organizmy. Najvýraznejšou charakteristikou, ktorá identifikuje túto skupinu, je neprítomnosť skutočného jadra. Rozdeľujú sa na dve veľké vetvy: pravé baktérie alebo eubaktérie a archaebaktérie.

Osídlili takmer všetky predstaviteľné biotopy, od vody a pôdy až po vnútro ostatných organizmov vrátane ľudí. Konkrétne, archaebaktérie obývajú oblasti s extrémnymi teplotami, slanosťou a pH.

štruktúra

Priemerná prokaryotická bunka.

Architektonická schéma typickej prokaryoty je bezpochyby schéma Escherichia coli, baktérie, ktorá normálne obýva náš gastrointestinálny trakt.

Tvar bunky pripomína tyč a má priemer 1 um a dĺžku 2 um. Prokaryoty sú obklopené bunkovou stenou, ktorá sa skladá hlavne z polysacharidov a peptidov.

Bakteriálna bunková stena je veľmi dôležitá vlastnosť a v závislosti od jej štruktúry umožňuje vytvorenie systému klasifikácie do dvoch veľkých skupín: grampozitívne a gramnegatívne baktérie.

Po bunkovej stene nachádzame membránu (spoločný prvok medzi prokaryotmi a eukaryotmi) lipidovej povahy so zabudovanými sériami protetických prvkov, ktoré oddeľujú organizmus od jeho prostredia.

DNA je kruhová molekula umiestnená v špecifickej oblasti, ktorá nemá žiadny typ membrány alebo separácie s cytoplazmou.

Cytoplazma vykazuje drsný vzhľad a má približne 3 000 ribozómov - štruktúr zodpovedných za syntézu proteínov.

Druhy prokaryotov

Súčasné prokaryoty sa skladajú zo širokej škály baktérií, ktoré sú rozdelené do dvoch veľkých domén: Eubaktérie a Archaebaktérie. Podľa dôkazov sa zdá, že sa tieto skupiny veľmi skoro vyvíjali.

Archaebaktérie sú skupinou prokaryotov, ktoré zvyčajne žijú v prostrediach s nezvyčajnými podmienkami, ako sú teploty alebo vysoká slanosť. Tieto podmienky sú dnes zriedkavé, ale mohli byť rozšírené na začiatku Zeme.

Napríklad termoacidofily žijú v oblastiach, kde teplota dosiahne maximum 80 ° C a pH 2.

Eubaktérie naopak žijú v prostrediach, ktoré sú spoločné pre nás ľudí. Môžu obývať pôdu, vodu alebo môžu žiť v iných organizmoch - ako sú baktérie, ktoré sú súčasťou nášho tráviaceho traktu.

Morfológia prokaryotov

Baktérie sa vyskytujú v rade veľmi rozmanitých a heterogénnych morfológií. Medzi najbežnejšie patria zaoblené zvané kokosové orechy. Môžu sa vyskytovať jednotlivo, v pároch, v reťazci, v tetradoch atď.

Niektoré baktérie sú morfologicky podobné tyčinke a nazývajú sa bacily. Rovnako ako kokosové orechy sa dajú nájsť v rôznych usporiadaniach s viac ako jedným jedincom. Nájdeme tiež špirálovité špirály a tie s čiarkou alebo zrnom, ktoré sa nazývajú vibrácie.

Každá z týchto opísaných morfológií sa môže líšiť medzi rôznymi druhmi - napríklad jeden bacil môže byť predĺženejší ako druhý alebo s viac zaoblenými hranami - a je užitočný pri identifikácii druhu.

rozmnožovanie

Nepohlavné rozmnožovanie

Reprodukcia v baktériách je nepohlavná a vyskytuje sa prostredníctvom binárneho štiepenia. V tomto procese sa organizmus doslova „rozdelí na dva“, výsledkom čoho sú klony pôvodného organizmu. Na tento účel musia byť k dispozícii dostatočné zdroje.

Tento proces je pomerne jednoduchý: cirkulárna DNA sa replikuje a vytvára dve identické dvojité skrutkovice. Neskôr sa genetický materiál usadí v bunkovej membráne a bunka začne rásť, až kým sa nezmení na dvojnásobok. Bunka sa nakoniec rozdelí a každá výsledná časť má kópiu kruhovej DNA.

V niektorých baktériách môžu bunky materiál deliť a rásť, ale nedelia sa úplne a tvoria určitý druh reťazca.

Ďalšie zdroje genetickej variability

Medzi baktériami sú udalosti génovej výmeny, ktoré umožňujú genetický prenos a rekombináciu, proces podobný tomu, ktorý poznáme ako sexuálna reprodukcia. Týmito mechanizmami sú konjugácia, transformácia a transdukcia.

Konjugácia spočíva vo výmene genetického materiálu medzi dvoma baktériami prostredníctvom štruktúry podobnej jemným chĺpkom nazývaným pili alebo fimbriae, ktorá pôsobí ako „most“. V tomto prípade musí existovať fyzická blízkosť medzi oboma jednotlivcami.

Transformácia zahŕňa odoberanie nahých fragmentov DNA nachádzajúcich sa v prostredí. To znamená, že v tomto procese nie je potrebná prítomnosť druhého organizmu.

Nakoniec máme preklad, kde baktéria získava genetický materiál pomocou vektora, napríklad bakteriofágy (vírusy, ktoré infikujú baktérie).

Výživa

Baktérie potrebujú látky, ktoré zaručia ich prežitie a ktoré im dodajú energiu potrebnú pre bunkové procesy. Bunka absorbuje tieto živiny absorpciou.

Všeobecne môžeme živiny klasifikovať ako základné alebo zásadité (voda, zdroje uhlíka a dusíkaté zlúčeniny), sekundárne (napríklad niektoré ióny: draslík a horčík) a stopové prvky, ktoré sú potrebné v minimálnych koncentráciách (železo, kobalt).

Niektoré baktérie potrebujú špecifické rastové faktory, ako sú vitamíny a aminokyseliny a stimulačné faktory, ktoré, aj keď nie sú nevyhnutné, pomáhajú v rastovom procese.

Nutričné ​​požiadavky na baktérie sa veľmi líšia, ale ich znalosti sú potrebné na to, aby bolo možné pripraviť účinné kultivačné médiá na zabezpečenie rastu organizmu, ktorý je predmetom záujmu.

Výživa

Baktérie sa dajú klasifikovať podľa zdroja uhlíka, ktorý používajú, buď organického alebo anorganického, a podľa zdroja výroby energie.

Podľa zdroja uhlíka máme dve skupiny: autotrofy alebo lithotrofy používajú oxid uhličitý a heterotrofy alebo organotrofy, ktoré vyžadujú zdroj organického uhlíka.

V prípade zdroja energie máme tiež dve kategórie: fototrofy, ktoré využívajú energiu zo slnka alebo žiarivej energie, a chemotrofy, ktoré závisia od energie chemických reakcií. Kombináciou oboch kategórií je teda možné baktérie rozdeliť na:

Photoautotrophs

Energiu získavajú zo slnečného svetla - to znamená, že sú fotosynteticky aktívne - a ich zdrojom uhlíka je oxid uhličitý.

Photoheterotrophs

Sú schopné využívať žiarivú energiu na svoj rozvoj, ale nie sú schopné začleniť oxid uhličitý. Preto používajú iné zdroje uhlíka, ako sú alkoholy, mastné kyseliny, organické kyseliny a uhľohydráty.

chemoautotrophs

Získajú energiu z chemických reakcií a sú schopné začleniť oxid uhličitý.

Chemoheterotrophs

Využívajú energiu z chemických reakcií a uhlík pochádza z organických zlúčenín, ako je glukóza - ktorá je najpoužívanejšia - lipidy a tiež bielkoviny. Všimnite si, že zdroj energie a zdroj uhlíka sú v oboch prípadoch rovnaké, preto je ich rozlíšenie ťažké.

Mikroorganizmy, ktoré sa považujú za ľudské patogény, všeobecne patria do tejto poslednej kategórie a ako zdroj uhlíka používajú aminokyseliny a lipidové zlúčeniny od svojich hostiteľov.

metabolizmus

Metabolizmus zahŕňa všetky komplexné, enzýmom katalyzované chemické reakcie, ktoré prebiehajú vo vnútri organizmu, aby sa mohol vyvíjať a množiť.

U baktérií sa tieto reakcie nelíšia od základných procesov, ktoré sa vyskytujú v zložitejších organizmoch. V skutočnosti máme viac ciest, ktoré zdieľajú obe línie organizmov, napríklad glykolýza.

Metabolické reakcie sú rozdelené do dvoch veľkých skupín: biosyntéza alebo anabolické reakcie a degradačné alebo katabolické reakcie, ktoré sa vyskytujú pri získavaní chemickej energie.

Katabolické reakcie uvoľňujú energiu rozvrhnutým spôsobom, ktorý telo využíva na biosyntézu svojich zložiek.

Základné rozdiely od eukaryotických buniek

Prokaryoty sa líšia od prokaryotov predovšetkým štrukturálnou zložitosťou bunky a procesmi, ktoré sa v nej vyskytujú. Ďalej popíšeme hlavné rozdiely medzi týmito dvoma líniami:

Veľkosť a zložitosť

Vo všeobecnosti sú prokaryotické bunky menšie ako eukaryotické bunky. Prvý typ má priemer medzi 1 a 3 um, na rozdiel od eukaryotickej bunky, ktorá môže dosiahnuť 100 um. Existujú však určité výnimky.

Aj keď prokaryotické organizmy sú jednobunkové a my ich nemôžeme pozorovať voľným okom (pokiaľ napríklad nepozorujeme bakteriálne kolónie), nemali by sme na rozlíšenie medzi oboma skupinami používať charakteristiky. V eukaryotoch tiež nájdeme jednobunkové organizmy.

V skutočnosti sú jednou z najkomplexnejších buniek jednobunkové eukaryoty, pretože musia obsahovať všetky štruktúry potrebné na ich vývoj uzavreté v bunkovej membráne. Rody Paramecium a Trypanosoma sú pozoruhodné príklady.

Na druhej strane existujú vysoko komplexné prokaryoty, ako napríklad cyanobaktérie (prokaryotická skupina, v ktorej došlo k vývoju fotosyntetických reakcií).

jadro

Slovo „prokaryota“ označuje neprítomnosť jadra (pro = predtým; karyon = jadro), zatiaľ čo eukaryoty majú skutočné jadro (eu = true). Tieto dve skupiny sú teda oddelené prítomnosťou tejto dôležitej organely.

V prokaryotoch sa genetický materiál nachádza distribuovaný v špecifickej oblasti bunky zvanej nukleoid - a nie je to pravé jadro, pretože nie je ohraničené lipidovou membránou.

Eukaryoty majú definované jadro a sú obklopené dvojitou membránou. Táto štruktúra je mimoriadne zložitá a predstavuje rôzne oblasti vo vnútri, napríklad jadro. Okrem toho táto organela môže interagovať s vnútorným prostredím bunky vďaka prítomnosti jadrových pórov.

Organizácia genetického materiálu

Prokaryoty obsahujú vo svojej DNA od 0,6 do 5 miliónov párov báz a odhaduje sa, že môžu kódovať až 5 000 rôznych proteínov.

Prokaryotické gény sa organizujú do entít nazývaných operóny - ako je známy operón laktózy - zatiaľ čo eukaryotické gény nie.

V génoch môžeme rozlíšiť dva „regióny“: intróny a exóny. Prvými sú časti, ktoré nekódujú proteín a ktoré prerušujú kódujúce oblasti nazývané exóny. Intróny sú bežné v eukaryotických génoch, ale nie v prokaryotoch.

Prokaryoty sú zvyčajne haploidné (jedna genetická záťaž) a eukaryoty majú haploidnú aj polyploidnú záťaž. Napríklad my, ľudia, sme diploidní. Podobne majú prokaryoty jeden chromozóm a eukaryoty viac ako jeden.

Zhutňovanie genetického materiálu

V jadre bunky eukaryoty vykazujú komplexnú organizáciu DNA. Dlhý reťazec DNA (približne dva metre dlhý) je schopný sa krútiť takým spôsobom, že sa môže integrovať do jadra a počas deliacich procesov ho možno vizualizovať pod mikroskopom vo forme chromozómov.

Tento proces zhutňovania DNA zahŕňa sériu proteínov, ktoré sú schopné viazať sa na vlákno a tvoria štruktúry, ktoré sa podobajú perlovému náhrdelníku, pričom vlákno je reprezentované DNA a guľôčky sú perlami. Tieto proteíny sa nazývajú históny.

Históny boli počas evolúcie široko konzervované. Inými slovami, naše históny sú neuveriteľne podobné histónom myši alebo idú ďalej k hmyzu. Štruktúrne majú vysoký počet pozitívne nabitých aminokyselín, ktoré interagujú s negatívnymi nábojmi DNA.

V prokaryotoch sa našli určité proteíny homológne s histónmi, ktoré sú všeobecne známe ako históny. Tieto proteíny prispievajú ku kontrole génovej expresie, DNA rekombinácie a replikácie a podobne ako históny v eukaryotoch sa podieľajú na organizácii nukleoidov.

organely

V eukaryotických bunkách je možné identifikovať rad vysoko komplexných subcelulárnych kompartmentov, ktoré vykonávajú špecifické funkcie.

Najvýznamnejšie sú mitochondrie zodpovedné za procesy bunkového dýchania a tvorby ATP a v rastlinách vynikajú chloroplasty, ich trojmembránový systém a zariadenie potrebné na fotosyntézu.

Rovnako máme Golgiho komplex, hladké a drsné endoplazmatické retikulum, vakuoly, lyzozómy, peroxizómy.

Ribozómová štruktúra

ribozómy

Ribozómy obsahujú mechanizmus potrebný na syntézu proteínov, takže musia byť prítomné v eukaryotoch aj prokaryotoch. Aj keď je to nevyhnutná štruktúra pre obe, líši sa prevažne veľkosťou.

Ribozómy sa skladajú z dvoch podjednotiek: veľkej a malej. Každá podjednotka je identifikovaná parametrom nazývaným sedimentačný koeficient.

V prokaryotoch je veľká podjednotka 50S a malá podjednotka je 30S. Celá štruktúra sa nazýva 70S. Ribozómy sú rozptýlené po celej cytoplazme, kde vykonávajú svoje úlohy.

Eukaryoty majú väčšie ribozómy, veľká podjednotka je 60S, malá podjednotka je 40S a celý ribozóm je označený ako 80S. Tieto sa nachádzajú hlavne zakotvené v hrubom endoplazmatickom retikule.

Bunková stena

Bunková stena je nevyhnutným prvkom, ktorý čelí osmotickému stresu a slúži ako ochranná bariéra proti možnému poškodeniu. Takmer všetky prokaryoty a niektoré skupiny eukaryotov majú bunkovú stenu. Rozdiel spočíva v chemickej povahe.

Bakteriálna stena je tvorená peptidoglykánom, polymérom pozostávajúcim z dvoch štruktúrnych prvkov: N-acetylglukozamínu a kyseliny N-acetylmurámovej, vzájomne spojených väzbami p-1,4.

V rámci eukaryotickej línie sa nachádzajú aj bunky steny, hlavne v niektorých hubách a vo všetkých rastlinách. Najčastejšou zlúčeninou v stene húb je chitín a v rastlinách je to celulóza, polymér tvorený mnohými glukózovými jednotkami.

Bunkové delenie

Ako už bolo uvedené vyššie, prokaryoty sa delia binárnym štiepením. Eukaryoty majú komplexný systém delenia, ktorý zahŕňa rôzne fázy nukleárneho delenia, buď mitózy alebo meiózy.

Fylogenéza a klasifikácia

Všeobecne sme zvyknutí definovať druh podľa biologického konceptu, ktorý navrhol E. Mayr v roku 1989: „skupiny krížencov prírodných populácií, ktoré sú reprodukčne izolované od iných skupín“.

Aplikácia tohto konceptu na nepohlavné druhy, ako je to v prípade prokaryotov, je nemožná. Preto musí existovať iný spôsob, ako priblížiť pojem druh, aby sa tieto organizmy klasifikovali.

Podľa Rosselló-Mora a kol. (2011), fylofenetický koncept dobre zapadá do tejto línie: „monofyletický a genomicky koherentný súbor jednotlivých organizmov, ktoré vykazujú vysoký stupeň všeobecnej podobnosti v mnohých nezávislých charakteristikách a je možné ich diagnostikovať pomocou rozlišovacej fenotypovej vlastnosti“.

Predtým boli všetky prokaryoty klasifikované do jednej „domény“, až kým Carl Woese nenavrhol, aby strom života mal tri hlavné vetvy. Po tejto klasifikácii prokaryoty zahŕňajú dve domény: Archaea a Bacteria.

V baktériách nájdeme päť skupín: proteobaktérie, chlamýdie, cyanobakteriálne spirochety a grampozitívne baktérie. Podobne máme štyri hlavné skupiny archaea: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard a DPANN Group.

Nové informácie

Jedným z najrozšírenejších konceptov v biológii je jednoduchosť prokaryotického cytosolu. Nové dôkazy však naznačujú, že v prokaryotických bunkách existuje potenciálna organizácia. V súčasnosti sa vedci snažia prelomiť dogmu neprítomnosti organel, cytoskeletu a ďalších charakteristík tejto jednobunkovej línie.

Organely v prokaryotoch

Autori tohto veľmi nového a kontroverzného návrhu zaisťujú, že v eukaryotických bunkách sú úrovne kompartmentalizácie, hlavne v štruktúrach vymedzených proteínmi a intracelulárnymi lipidmi.

Podľa obhajcov tejto myšlienky je organelka kompartment obklopený biologickou membránou so špecifickou biochemickou funkciou. Medzi týmito „organelami“, ktoré sa zhodujú s touto definíciou, máme okrem iného lipidové telieska, karboxy-somy, plynové vakuoly.

Magnetosomes

Jedným z najviac fascinujúcich oddelení baktérií sú magnetozómy. Tieto štruktúry súvisia so schopnosťou určitých baktérií - napríklad Magnetospirillum alebo Magnetococcus - používať na orientáciu magnetické polia.

Štruktúrne sú to malé 50-nanometrové telo obklopené lipidovou membránou, ktorej vnútro je zložené z magnetických minerálov.

Fotosyntetické membrány

Niektoré prokaryoty majú ďalej „fotosyntetické membrány“, ktoré sú najštudovanejšími zložkami týchto organizmov.

Tieto systémy pracujú na maximalizovaní účinnosti fotosyntézy, zvýšení počtu dostupných fotosyntetických proteínov a maximalizovaní membránového povrchu, ktorý je vystavený svetlu.

Priestory v

Nebolo možné vysledovať možnú evolučnú cestu z týchto vyššie spomenutých kompartmentov k vysoko komplexným organelám eukaryot.

Rod Planctomycetes má však vo vnútri rad kompartmentov, ktoré pripomínajú samotné organely a môžu byť navrhnuté ako bakteriálny predchodca eukaryotov. V rode Pirellula sú chromozómy a ribozómy obklopené biologickými membránami.

Súčasti cytoskeletu

Podobne existujú určité proteíny, ktoré boli historicky považované za jedinečné pre eukaryoty, vrátane základných vlákien, ktoré sú súčasťou cytoskeletu: tubulín, aktín a medziproduktové vlákna.

Nedávne výskumy dokázali identifikovať proteíny homológne s tubulínom (FtsZ, BtuA, BtuB a ďalšie), aktínom (MreB a Mb1) a medziproduktovými vláknami (CfoA).

Referencie

1. Cooper, GM (2000). Bunka: Molekulárny prístup. Sinauer Associates.
2. Dorman, CJ, a Deighan, P. (2003). Regulácia génovej expresie histónovými proteínmi v baktériách. Aktuálny názor na genetiku a vývoj, 13 (2), 179-184.
3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Skrytá strana prokaryotických buniek: znovuobjavenie mikrobiálneho sveta. International Microbiology, 10 (3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M. a Komeili, A. (2010). Bunková biológia prokaryotických organel. Perspektívy Cold Spring Harbor v biológii, a000422.
5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Druhový koncept pre prokaryoty. Mikrobiologické prehľady FEMS, 25 (1), 39-67.
6. Slesarev, AI, Belova, GI, Kozyavkin, SA, & Lake, JA (1998). Dôkaz skorého prokaryotického pôvodu histónov H2A a H4 pred vznikom eukaryotov. Research of Nucleic acid, 26 (2), 427-430.
7. Souza, WD (2012). Prokaryotické bunky: štruktúrna organizácia cytoskeletu a organel. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 107 (3), 283-293.