PROKARYOTICKÉ BUŇKY: CHARAKTERISTIKA, STRUKTURA BUNĚK, TYPY - BIOLOGIE - 2025

Mezi prokaryotické buňky jsou jednoduché a bez jádra ohraničené plazma membránových struktur. Organizmy spojené s tímto typem buněk jsou jednobuněčné, i když se mohou seskupovat a vytvářet sekundární struktury, jako jsou řetězce.

Ze tří domén života, které navrhl Carl Woese, prokaryoty odpovídají bakteriím a Archaea. Zbývající doména, Eucarya, je tvořena většími, komplexnějšími eukaryotickými buňkami s ohraničeným jádrem.

Prokaryotická buňka. Zdroj: Ali Zifan z Wikimedia Commons

Jednou z nejdůležitějších dichotomií v biologických vědách je rozlišení mezi eukaryotickou a prokaryotickou buňkou. Historicky je prokaryotický organismus považován za jednoduchý, bez vnitřní organizace, bez organel a postrádá cytoskelet. Tyto důkazy však ničí nové důkazy.

Například v prokaryotoch byly identifikovány struktury, které lze potenciálně považovat za organely. Podobně byly nalezeny proteiny homologní s proteiny eukaryot, které tvoří cytoskelet.

Prokaryoty jsou z hlediska výživy velmi rozmanité. Jako zdroj energie mohou použít světlo ze slunce a energii obsaženou v chemických vazbách. Mohou také použít různé zdroje uhlíku, jako je například oxid uhličitý, glukóza, aminokyseliny, proteiny.

Prokaryoty se dělí asexuálně binárním štěpením. V tomto procesu organismus replikuje svou cirkulární DNA, zvětšuje svůj objem a nakonec se dělí na dvě identické buňky.

Existují však mechanismy pro výměnu genetického materiálu, které generují variabilitu bakterií, jako je transdukce, konjugace a transformace.

Obecné vlastnosti

Prokaryoty jsou relativně jednoduché jednobuněčné organismy. Nejvýraznější charakteristikou této skupiny je absence skutečného jádra. Jsou rozděleny do dvou větví: skutečné bakterie nebo eubakterie a archaebakterie.

Osídlili téměř každé představitelné stanoviště, od vody a půdy po vnitřek jiných organismů, včetně lidí. Konkrétně, archaebakterie obývají oblasti s extrémními teplotami, slaností a pH.

Struktura

Průměrná prokaryotická buňka.

Architektonické schéma typického prokaryota je bezpochyby schématem Escherichia coli, bakterie, která normálně obývá náš gastrointestinální trakt.

Tvar buňky připomíná tyč a má průměr 1 um a délku 2 um. Prokaryoty jsou obklopeny buněčnou stěnou, složenou převážně z polysacharidů a peptidů.

Bakteriální buněčná stěna je velmi důležitou charakteristikou a v závislosti na její struktuře umožňuje vytvořit klasifikační systém do dvou velkých skupin: grampozitivní a gramnegativní bakterie.

Po buněčné stěně najdeme membránu (běžný prvek mezi prokaryoty a eukaryoty) lipidové povahy se zabudovanou řadou protetických prvků, která odděluje organismus od jeho prostředí.

DNA je kruhová molekula umístěná ve specifické oblasti, která nemá žádný typ membrány nebo separace s cytoplazmou.

Cytoplazma vykazuje drsný vzhled a má přibližně 3 000 ribozomů - struktur odpovědných za syntézu proteinů.

Druhy prokaryot

Současné prokaryoty jsou tvořeny širokou rozmanitostí bakterií, které jsou rozděleny do dvou velkých domén: Eubacteria a Archaebacteria. Podle důkazů se zdá, že se tyto skupiny velmi brzy vyvinuly.

Archaebakterie jsou skupinou prokaryot, které obvykle žijí v prostředí s neobvyklými podmínkami, jako jsou teploty nebo vysoká slanost. Tyto podmínky jsou dnes vzácné, ale mohou být běžné v rané Zemi.

Například termoacidofily žijí v oblastech, kde teplota dosáhne maximálně 80 ° C a pH 2.

Eubakterie žijí v prostředích společných pro nás lidi. Mohou obývat půdu, vodu nebo žít v jiných organismech - jako jsou bakterie, které jsou součástí našeho zažívacího traktu.

Morfologie prokaryot

Bakterie se vyskytují v řadě vysoce rozmanitých a heterogenních morfologií. Mezi nejčastější patří zaoblené ty, které se nazývají kokosové ořechy. Ty se mohou vyskytovat jednotlivě, v párech, v řetězci, v tetradech atd.

Některé bakterie jsou morfologicky podobné tyčince a nazývají se bacily. Stejně jako kokosové ořechy lze je nalézt v různých uspořádáních s více než jedním jednotlivcem. Nacházíme také spirochety ve tvaru spirály a ty, které mají tvar čárky nebo zrna nazývaný vibrace.

Každá z těchto popsaných morfologií se může u různých druhů lišit - například jeden bacil může být protáhlejší než jiný nebo se zaoblenějšími okraji - a je užitečný při identifikaci druhu.

Reprodukce

Nepohlavní reprodukce

Reprodukce v bakteriích je nepohlavní a probíhá binárním štěpením. V tomto procesu se organismus doslova „rozdělí na dva“, což vede k klonům původního organismu. K tomu musí být k dispozici dostatečné zdroje.

Proces je relativně jednoduchý: kruhová DNA se replikuje a tvoří dvě identické dvojité šroubovice. Později je genetický materiál umístěn v buněčné membráně a buňka začíná růst, dokud se zdvojnásobí. Buňka se nakonec rozdělí a každá výsledná část má kopii kruhové DNA.

U některých bakterií mohou buňky materiál rozdělit a růst, ale nerozdělují se úplně a tvoří určitý druh řetězce.

Další zdroje genetické variability

Mezi bakteriemi jsou události genové výměny, které umožňují genetický přenos a rekombinaci, což je proces podobný tomu, co známe jako sexuální reprodukce. Těmito mechanismy jsou konjugace, transformace a transdukce.

Konjugace spočívá v výměně genetického materiálu mezi dvěma bakteriemi prostřednictvím struktury podobné jemným chloupkům zvaným pili nebo fimbriae, která působí jako „můstek“. V tomto případě musí existovat fyzická blízkost mezi oběma jedinci.

Transformace zahrnuje odebrání nahých fragmentů DNA nalezených v prostředí. To znamená, že v tomto procesu není přítomnost druhého organismu nutná.

Nakonec máme překlad, kde bakterie získává genetický materiál prostřednictvím vektoru, například bakteriofágy (viry, které infikují bakterie).

Výživa

Baktérie potřebují látky, které zaručují jejich přežití a které jim dodávají energii nezbytnou pro buněčné procesy. Buňka absorbuje tyto živiny absorpcí.

Obecně můžeme klasifikovat živiny jako esenciální nebo bazické (voda, zdroje uhlíku a dusíkaté sloučeniny), sekundární (například některé ionty: draslík a hořčík) a stopové prvky, které jsou potřebné v minimálních koncentracích (železo, kobalt).

Některé bakterie potřebují specifické růstové faktory, jako jsou vitaminy a aminokyseliny a stimulační faktory, které, i když nejsou nezbytné, pomáhají v procesu růstu.

Nutriční požadavky bakterií se značně liší, ale jejich znalosti jsou nezbytné k tomu, aby bylo možné připravit účinná kultivační média, aby se zajistil růst zájmového organismu.

Výživa

Bakterie lze klasifikovat podle zdroje uhlíku, který používají, buď organického nebo anorganického, a podle zdroje produkce energie.

Podle zdroje uhlíku máme dvě skupiny: autotrofy nebo lithotrofy používají oxid uhličitý a heterotrofy nebo organotrofy, které vyžadují zdroj organického uhlíku.

V případě zdroje energie máme také dvě kategorie: fototrofy, které využívají energii ze slunce nebo sálavou energii a chemotrofy, které závisí na energii chemických reakcí. Díky kombinaci obou kategorií lze bakterie rozdělit do:

Fotoautotrofy

Získávají energii ze slunečního světla - což znamená, že jsou fotosynteticky aktivní - a jejich zdrojem uhlíku je oxid uhličitý.

Fotoheterotrofy

Jsou schopni použít zářivou energii pro svůj vývoj, ale nejsou schopni začlenit oxid uhličitý. Používají proto jiné zdroje uhlíku, jako jsou alkoholy, mastné kyseliny, organické kyseliny a uhlohydráty.

Chemoautotrofy

Získávají energii z chemických reakcí a jsou schopny začlenit oxid uhličitý.

Chemoheterotrofy

Využívají energii z chemických reakcí a uhlík pochází z organických sloučenin, jako je glukóza - která je nejpoužívanější - lipidy a také proteiny. Všimněte si, že zdroj energie a zdroj uhlíku jsou v obou případech stejné, proto je jejich rozlišení obtížné.

Obecně patří mikroorganismy, které jsou považovány za lidské patogeny, do této poslední kategorie a používají jako zdroje uhlíku aminokyseliny a lipidové sloučeniny od svých hostitelů.

Metabolismus

Metabolismus zahrnuje všechny komplexní enzymaticky katalyzované chemické reakce, které probíhají uvnitř organismu, aby se mohl vyvíjet a reprodukovat.

U bakterií se tyto reakce neliší od základních procesů, ke kterým dochází u složitějších organismů. Ve skutečnosti máme několik cest sdílených oběma liniemi organismů, jako je například glykolýza.

Reakce metabolismu jsou rozděleny do dvou velkých skupin: biosyntetické nebo anabolické reakce a degradační nebo katabolické reakce, ke kterým dochází za účelem získání chemické energie.

Katabolické reakce uvolňují energii rozloženým způsobem, který tělo používá k biosyntéze svých složek.

Základní rozdíly od eukaryotických buněk

Prokaryoty se liší od prokaryotů především strukturální složitostí buňky a procesy, které se v ní vyskytují. Níže popíšeme hlavní rozdíly mezi oběma liniemi:

Velikost a složitost

Obecně jsou prokaryotické buňky menší než eukaryotické buňky. První mají průměr mezi 1 a 3 um, na rozdíl od eukaryotické buňky, která může dosáhnout 100 um. Existují však některé výjimky.

Ačkoli prokaryotické organismy jsou jednobuněčné a nemůžeme je pozorovat pouhým okem (pokud například nezaznamenáváme bakteriální kolonie), neměli bychom používat charakteristiky k rozlišení mezi oběma skupinami. V eukaryotoch také najdeme jednobuněčné organismy.

Ve skutečnosti jsou jednou z nejsložitějších buněk jednobuněčné eukaryoty, protože musí obsahovat všechny struktury nezbytné pro jejich vývoj, uzavřené v buněčné membráně. Rody Paramecium a Trypanosoma jsou pozoruhodné příklady.

Na druhé straně existují vysoce komplexní prokaryoty, jako jsou cyanobakterie (prokaryotická skupina, kde došlo k vývoji fotosyntetických reakcí).

Jádro

Slovo „prokaryota“ označuje nepřítomnost jádra (pro = dříve; karyon = jádro), zatímco eukaryoty mají skutečné jádro (eu = true). Tyto dvě skupiny jsou tedy odděleny přítomností této důležité organely.

V prokaryotech je genetický materiál nalezen distribuovaný ve specifické oblasti buňky zvané nukleoid - a není to skutečné jádro, protože není ohraničeno lipidovou membránou.

Eukaryoty mají definované jádro a jsou obklopeny dvojitou membránou. Tato struktura je extrémně složitá a představuje různé oblasti uvnitř, například jádro. Kromě toho tato organela může interagovat s vnitřním prostředím buňky díky přítomnosti jaderných pórů.

Organizace genetického materiálu

Prokaryoty obsahují ve své DNA 0,6 až 5 milionů párů bází a odhaduje se, že mohou kódovat až 5 000 různých proteinů.

Prokaryotické geny se organizují do entit nazývaných operony - jako známý operon laktózy - zatímco eukaryotické geny ne.

V genech můžeme rozlišit dva „regiony“: introny a exony. První z nich jsou části, které nekódují protein a které přerušují kódující oblasti, nazývané exony. Introny jsou běžné v eukaryotických genech, ale ne v prokaryotech.

Prokaryoty jsou obecně haploidní (jedna genetická zátěž) a eukaryoty mají haploidní i polyploidní zátěže. Například my lidé jsme diploidní. Podobně prokaryoty mají jeden chromozom a eukaryoty více než jeden.

Zhutňování genetického materiálu

V buněčném jádru vykazují eukaryoty komplexní organizaci DNA. Dlouhý řetězec DNA (přibližně dva metry dlouhý) je schopen kroucení takovým způsobem, že může být integrován do jádra a během dělicích procesů může být vizualizován pod mikroskopem ve formě chromozomů.

Tento proces zhutňování DNA zahrnuje řadu proteinů, které jsou schopny vázat se na vlákno a vytvářet struktury, které se podobají perlovému náhrdelníku, kde je vlákno reprezentováno DNA a kuličky perly. Tyto proteiny se nazývají histony.

Histony byly během evoluce široce konzervovány. Jinými slovy, naše histony jsou neuvěřitelně podobné těm, které se vyskytují u myší, nebo jdou dále než u hmyzu. Strukturálně mají vysoký počet pozitivně nabitých aminokyselin, které interagují s negativními náboji DNA.

V prokaryotech byly nalezeny určité proteiny homologní s histony, které jsou obecně známé jako histony. Tyto proteiny přispívají ke kontrole genové exprese, rekombinace a replikace DNA a stejně jako histony v eukaryotech se podílejí na organizaci nukleoidů.

Organely

V eukaryotických buňkách lze identifikovat řadu vysoce komplexních subcelulárních kompartmentů, které vykonávají specifické funkce.

Nejdůležitější jsou mitochondrie, které jsou zodpovědné za procesy buněčného dýchání a tvorby ATP, a v rostlinách vynikají chloroplasty, jejich třímembránový systém a strojní zařízení nezbytné pro fotosyntézu.

Stejně tak máme Golgiho komplex, hladké a drsné endoplazmatické retikulum, vakuoly, lysozomy, peroxisomy, mimo jiné.

Ribosomová struktura

Ribosomy

Ribozomy obsahují mechanismus nezbytný pro syntézu proteinů, takže musí být přítomny v eukaryotech i prokaryotech. Ačkoli je to nepostradatelná struktura pro obě, liší se převážně velikostí.

Ribosomy se skládají ze dvou podjednotek: velké a malé. Každá podjednotka je identifikována parametrem zvaným sedimentační koeficient.

V prokaryotech je velká podjednotka 50S a malá podjednotka je 30S. Celá struktura se nazývá 70S. Ribozomy jsou rozptýleny v cytoplazmě, kde plní své úkoly.

Eukaryoty mají větší ribozomy, velká podjednotka je 60S, malá podjednotka je 40S a celý ribozom je označen jako 80S. Ty se nacházejí hlavně zakotvené v hrubém endoplazmatickém retikulu.

Buněčná zeď

Buněčná stěna je nezbytným prvkem pro čelení osmotickému stresu a slouží jako ochranná bariéra proti možnému poškození. Téměř všechny prokaryoty a některé skupiny eukaryotů mají buněčnou zeď. Rozdíl spočívá v jeho chemické povaze.

Bakteriální stěna je tvořena peptidoglykanem, polymerem složeným ze dvou strukturních prvků: N-acetylglukosamin a kyselina N-acetylmuramová, které jsou spojeny vazbami typu P-1,4.

V eukaryotické linii jsou také stěny buněk, hlavně v některých hubách a ve všech rostlinách. Nejhojnější sloučeninou ve stěně hub je chitin a v rostlinách je to celulóza, polymer tvořený mnoha glukózovými jednotkami.

Buněčné dělení

Jak již bylo řečeno dříve, prokaryoty se dělí binárním štěpením. Eukaryoty mají komplexní systém dělení, který zahrnuje různé fáze jaderného dělení, buď mitózy nebo meiózy.

Fylogeneze a klasifikace

Obecně jsme zvyklí definovat druh podle biologického konceptu navrženého E. Mayrem v roce 1989: „skupiny křížení přirozených populací, které jsou reprodukovatelně izolovány od ostatních skupin“.

Uplatnění tohoto pojmu na asexuální druhy, jako je tomu v případě prokaryot, je nemožné. Proto musí existovat jiný způsob, jak přistupovat k pojmu druh, aby se tyto organismy klasifikovaly.

Podle Rosselló-Mora a kol. (2011), fylofenetický koncept dobře zapadá do této linie: „monofyletický a genomicky koherentní soubor jednotlivých organismů, které vykazují vysoký stupeň obecné podobnosti v mnoha nezávislých charakteristikách a lze je diagnostikovat diskriminační fenotypovou vlastností“.

Dříve byly všechny prokaryoty klasifikovány do jediné „domény“, dokud Carl Woese nenavrhl, aby strom života měl tři hlavní větve. Po této klasifikaci prokaryoty zahrnují dvě domény: Archaea a Bacteria.

V bakteriích najdeme pět skupin: proteobakterie, chlamydie, cyanobakteriální spirochety a grampozitivní bakterie. Podobně máme čtyři hlavní skupiny archaea: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard a DPANN Group.

Nové poznatky

Jedním z nejrozšířenějších konceptů v biologii je jednoduchost prokaryotického cytosolu. Nové důkazy však naznačují, že v prokaryotických buňkách existuje potenciální organizace. V současné době se vědci snaží rozebrat dogma nepřítomnosti organel, cytoskeletu a dalších charakteristik v této jednobuněčné linii.

Organely v prokaryotech

Autoři tohoto velmi nového a kontroverzního návrhu zajišťují, že v eukaryotických buňkách jsou úrovně kompartmentalizace, zejména ve strukturách vymezených proteiny a intracelulárními lipidy.

Podle obránců této myšlenky je organela kompartmentem obklopeným biologickou membránou se specifickou biochemickou funkcí. Mezi těmito „organely“, které odpovídají této definici, patří mimo jiné lipidová těla, karboxy-somes, plynové vakuoly.

Magnetozomy

Jedním z nejvíce fascinujících složek bakterií jsou magnetozomy. Tyto struktury souvisejí se schopností některých bakterií - jako je Magnetospirillum nebo Magnetococcus - používat pro orientaci magnetická pole.

Strukturálně se jedná o malé 50 nanometrové tělo obklopené lipidovou membránou, jejíž vnitřek je složen z magnetických minerálů.

Fotosyntetické membrány

Kromě toho mají některé prokaryoty „fotosyntetické membrány“, které jsou nejvíce studovanými složkami v těchto organismech.

Tyto systémy pracují na maximalizaci účinnosti fotosyntézy, zvýšení počtu dostupných fotosyntetických proteinů a maximalizaci membránového povrchu, který je vystaven světlu.

Prostory v

Nebylo možné vysledovat věrohodnou evoluční cestu z těchto dříve zmíněných oddílů k vysoce komplexním organelám eukaryot.

Rod Planctomycetes má však uvnitř sebe řadu kompartmentů, které připomínají samotné organely a lze je navrhnout jako bakteriální předchůdce eukaryot. V rodu Pirellula jsou chromozomy a ribozomy obklopené biologickými membránami.

Složky cytoskeletu

Podobně existují určité proteiny, které byly historicky považovány za jedinečné pro eukaryoty, včetně základních vláken, která jsou součástí cytoskeletu: tubulin, aktin a meziprodukty.

Nedávným výzkumům se podařilo identifikovat proteiny homologní s tubulinem (FtsZ, BtuA, BtuB a další), aktinem (MreB a Mb1) a meziprodukty (CfoA).

Reference

1. Cooper, GM (2000). Buňka: Molekulární přístup. Sinauer Associates.
2. Dorman, CJ, a Deighan, P. (2003). Regulace genové exprese histonovými proteiny v bakteriích. Aktuální názor na genetiku a vývoj, 13 (2), 179-184.
3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). Skrytá strana prokaryotické buňky: znovuobjevení mikrobiálního světa. International Microbiology, 10 (3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Buněčná biologie prokaryotních organel. Perspektivy Cold Spring Harbor v biologii, a000422.
5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). Druhový koncept prokaryot. Mikrobiologické recenze FEMS, 25 (1), 39-67.
6. Slesarev, AI, Belova, GI, Kozyavkin, SA, & Lake, JA (1998). Důkaz o časném prokaryotickém původu histonů H2A a H4 před vznikem eukaryot. Nucleic acid Research, 26 (2), 427-430.
7. Souza, WD (2012). Prokaryotické buňky: strukturální uspořádání cytoskeletu a organel. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 107 (3), 283-293.