Egenskaber ved en bakteriecelle

Celler er de grundlæggende enheder i livet, og som sådan er de mindste distinkte elementer i levende ting, der bevarer alle de nøgleegenskaber, der er forbundet med levende ting, herunder metabolisme, evnen til at reproducere og et middel til at opretholde kemisk balance. Celler er enten prokaryotisk,
et udtryk, der henviser til bakterier og en smadring af encellede organismer, eller eukaryotisk, hvor der henvises til planter, svampe og dyr.

Bakterie og andre prokaryotiske celler er langt enklere på næsten enhver måde end deres eukaryote kolleger. Alle celler inkluderer mindst et plasmamembran, cytoplasma og genetisk materiale i form af DNA. Mens eukaryote celler har en lang række elementer ud over disse essentielle ting, tegner disse tre ting næsten hele bakteriecellerne. Bakterieceller inkluderer dog et par træk, som eukaryote celler ikke ikke, især en cellevæg.
Cell Basics -

En enkelt eukaryot organisme kan have billioner af celler, selvom gær er encellede; bakterieceller har på den anden side kun en celle. Mens eukaryote celler inkluderer en række membranbundne organeller, såsom kernen, mitokondrier (hos dyr), kloroplaster (planternes svar på mitokondrier), Golgi-legemer, det endoplasmatiske retikulum og lysosomer, har bakterieceller ingen organeller. Både eukaryoter og prokaryoter inkluderer ribosomer, de små strukturer, der er ansvarlige for proteinsyntese, men disse visualiseres typisk lettere i eukaryoter, fordi så mange af dem klynger sig langs den lineære, båndlignende endoplasmatiske retikulum.

Det er let at betragter bakterieceller og bakterier i sig selv som "primitive" på grund af både deres større evolutionsalder (ca. 3,5 milliarder år mod ca. 1,5 milliarder for prokaryoter) og deres enkelhed. Dette er imidlertid vildledende af en række grunde. Den ene er, at mere kompleks, set fra synspunktet om artsoverlevelse, ikke nødvendigvis betyder mere robust; med sandsynlighed vil bakterier som gruppe overgå mennesker og andre "højere" organismer, når forholdene på Jorden ændres tilstrækkeligt. En anden grund er, at bakterieceller, selvom de er enkle, har udviklet en række potent overlevelsesmekanismer, som eukaryoter ikke har.
A Bacterial Cell Primer

Bakterieceller findes i tre grundlæggende former: stavlignende (den baciller), runde (cocci) og spiralformede (spirilli). Disse morfologiske bakteriecelleegenskaber kan være nyttige ved diagnosticering af infektionssygdomme forårsaget af kendte bakterier. For eksempel er "strep hals" årsager af arter af Streptococci
, som, som navnet antyder, er runde, ligesom Staphylococci
. Anthrax er forårsaget af en stor bacillus, og Lyme sygdom er forårsaget af en spirochete, som er spiralformet. Ud over de forskellige former for individuelle celler er bakterieceller tilbøjelige til at findes i klynger, hvis struktur varierer afhængigt af den pågældende art. Nogle stænger og cocci vokser i lange kæder, mens visse andre cocci findes i klynger, der noget minder om formen på individuelle celler.

De fleste bakterieceller kan i modsætning til vira leve uafhængigt af andre organismer og er ikke afhængige af på andre levende ting til metaboliske eller reproduktive behov. Undtagelser findes dog; nogle arter af Rickettsiae
og Chlamydiae
er obligatorisk intracellulære, hvilket betyder at de ikke har andet valg end at bebo cellerne i levende ting for at overleve.

Bakteriecellernes mangel på en kerne er grunden til, at prokaryotiske celler oprindeligt blev adskilt fra eukaryote celler, da denne forskel er tydelig selv under mikroskoper med relativt lav forstørrelseseffekt. Selvom bakterie-DNA ikke er omgivet af en nukleær membran som eukaryoter, har den dog en tendens til at klynge sig tæt, og den resulterende ru dannelse kaldes en nukleoid. Der er generelt mindre DNA i bakterieceller end i eukaryote celler; hvis den strækkes fra ende til anden, ville en enkelt kopi af det typiske eukaryrotes genetiske materiale eller kromatin strække sig til ca. 1 millimeter, hvorimod en af bakteriers spænding ville spænde fra 1 til 2 mikrometer - en forskel på 500 til 1.000 gange. Det genetiske materiale fra eukaryoter inkluderer både DNA selv og proteiner kaldet histoner, hvorimod prokaryot DNA har få polyaminer (nitrogenforbindelser) og magnesiumioner der er forbundet med det.
The Bacterial Cell Wall -

Måske den mest åbenlyse strukturelle forskellen mellem bakterieceller og andre celler er det faktum, at bakterier har cellevægge. Disse vægge, der er lavet af peptidoglycan og molekyler, ligger lige uden for cellemembranen, som celler af alle typer har. Peptidoglycaner består af en kombination af polysaccharid-sukkerarter og proteinkomponenter; deres hovedopgave er at tilføje beskyttelse og stivhed til bakterierne og tilbyde et forankringspunkt for strukturer som pili og flagella, der har oprindelse i cellemembranen og strækker sig gennem cellevæggen til det ydre miljø.

Hvis du var en mikrobiolog, der arbejdede i et svundne århundrede og ønskede at oprette et medikament, der ville være farligt for bakterieceller, mens det for det meste var ufarligt for menneskelige celler, og havde viden om de respektive strukturer i disse organismeres cellulære sammensætning, kan du gøre dette ved at designe eller finde stoffer, der er giftige for cellevæggene, mens man skåner andre cellekomponenter. Faktisk er det netop sådan, hvor meget antibiotika fungerer: De er målrettet mod og ødelægger bakteriecellevæggene og dræber bakterierne som et resultat. Penicilliner
, der opstod i begyndelsen af 1940'erne som den første klasse af antibiotika, virker ved at hæmme syntesen af peptidoglycaner, der udgør cellevæggene i nogle, men ikke alle, bakterier. De gør dette ved at inaktivere et enzym, der katalyserer en proces kaldet tværbinding i modtagelige bakterier. I årenes løb har antibiotisk administration valgt bakterier, der tilfældigvis producerer stoffer kaldet beta-lactamaser, der er målrettet mod de "invaderende" penicilliner. Således forbliver et langvarigt og uendeligt "våbenløb" mellem antibiotika og deres små sygdomsfremkaldende mål.
Flagella, Pili og Endospores.

Nogle bakterier har ydre strukturer, der hjælper bakterierne i deres navigation af den fysiske verden. For eksempel er flagella
(ental: flagellum) piskelignende vedhæng, der tilvejebringer et middel til bevægelse for bakterier, der besidder dem, svarende til det for rumpehuller. Nogle gange findes de i den ene ende af en bakteriecelle; nogle bakterier har dem i begge ender. Flagellaen "slår" meget som en propell gør, så bakterier kan "jage" næringsstoffer, "flygte" fra giftige kemikalier eller bevæge sig mod lys (nogle bakterier, kaldet cyanobakterier, stole på fotosyntesen for energi som planter gør og kræver derfor regelmæssig eksponering for lys).

Pili
(ental: pilus), er strukturelt ligner flagella, da de er hårlignende fremspring, der strækker sig udad fra bakteriecelleoverfladen. Deres funktion er imidlertid anderledes. I stedet for at hjælpe med at bevæge sig, hjælper pili bakterier ved at binde sig til andre celler og overflader i forskellige sammensætninger, herunder klipper, dine tarme og endda tandenes emalje. Med andre ord, de tilbyder "klæbrighed" til bakterier på den måde, som de karakteristiske skaller af barberkler tillader, at disse organismer klæber til klipper. Uden pili er mange patogene (dvs. sygdomsfremkaldende) bakterier ikke infektiøse, fordi de ikke kan klæbe til værtsvæv. En specialiseret type pili bruges til en proces kaldet konjugation
, hvor to bakterier udveksler dele af DNA.

En temmelig diabolisk konstruktion af visse bakterier er endosporer. Bacillus
og Clostridium
arter kan producere disse sporer, som er yderst varmebestandige, dehydrerede og inaktive versioner af normale bakterieceller, der skabes inde i cellerne. De indeholder deres eget komplette genom og alle metaboliske enzymer. Endosporens nøglefunktion er dens komplekse beskyttelsessporfrakke. Sygdommen botulisme er forårsaget af en Clostridium botulinum
endospore, der udskiller et dødbringende stof, der kaldes et endotoksin.
Bakteriel reproduktion

Bakterier produceres ved en proces kaldet binær fission, hvilket simpelthen betyder splitting i halvdelen og skabe et par celler, der hver er genetisk identiske med forældercellen. Denne aseksuelle form for reproduktion står i skarp kontrast til reproduktionen af eukaryoter, som er seksuel, idet den involverer to forældreorganismer, der bidrager med en lige stor mængde genetisk materiale til at skabe et afkom. Mens seksuel reproduktion på overfladen kan virke besværlig - hvorfor skal vi trods alt introducere dette energisk dyre trin, hvis cellerne bare kan opdeles i halvdel i stedet? - det er en absolut sikkerhed for genetisk mangfoldighed, og denne form for mangfoldighed er essentiel for artsoverlevelse.

Tænk over det: Hvis ethvert menneske var genetisk identisk eller endda tæt, især på niveau med enzymer og proteiner du kan ikke se, men der tjener vitale metaboliske funktioner, så ville en enkelt type biologisk modstand være tilstrækkelig til potentielt at udslette hele menneskeheden. Du ved allerede, at mennesker adskiller sig i deres genetiske følsomhed over for visse ting, fra de største (nogle mennesker kan dø af udsættelse for små udsættelser for allergener, herunder jordnødder og bi-gift) til det relativt trivielle (nogle mennesker kan ikke fordøje sukkerlactase, hvilket gør dem ude af stand til at konsumere mejeriprodukter uden alvorlige forstyrrelser i deres mave-tarmsystemer). En art, der nyder en stor del af genetisk mangfoldighed, er i vid udstrækning beskyttet mod udryddelse, fordi denne mangfoldighed tilbyder råmaterialet, som gunstigt naturligt selektionstryk kan handle på. Hvis 10 procent af befolkningen i en given art tilfældigvis er immun mod en bestemt virus, som arten endnu ikke har oplevet, er dette et blitz. Hvis virussen på den anden side manifesterer sig i denne population, kan det ikke vare længe, før dette tilfælde 10 procent repræsenterer 100 procent af de overlevende organismer i denne art.

Som et resultat har bakterier udviklet sig et antal af metoder til at sikre genetisk mangfoldighed. Disse inkluderer transformation, konjugering
og transduktion
. Ikke alle bakterieceller kan gøre brug af alle disse processer, men mellem dem tillader de alle bakteriearter at overleve i langt større udstrækning, end de ellers ville gøre.

Transformation er processen med at optage DNA fra miljø, og det er opdelt i naturlige og kunstige former. I naturlig transformation bliver DNA fra døde bakterier internaliseret via cellemembranen, udøverstil og inkorporeret i DNAet fra de overlevende bakterier. Ved kunstig transformation introducerer forskere med vilje DNA i en værtsbakterie, ofte E. coli
(fordi denne art har et lille, enkelt genom, der let kan manipuleres) for at studere disse organismer eller skabe et ønsket bakterieprodukt. Ofte er det introducerede DNA fra et plasmid, en naturligt forekommende ring af bakterielt DNA.

Konjugation er den proces, hvorved en bakterie bruger en pilus eller pili til at "injicere" DNA i en anden bakterie via direkte kontakt. Det transmitterede DNA kan som ved kunstig transformation være et plasmid, eller det kan være et andet fragment. Det nyligt indførte DNA kan indeholde et vitalt gen, der koder for proteiner, der muliggør antibiotikaresistens.

Endelig er transduktion afhængig af tilstedeværelsen af en invaderende virus kaldet en bakteriofag. Viraer er afhængige af levende celler for at replikere, fordi de, selv om de besidder genetisk materiale, mangler maskiner til at kopiere det. Disse bakteriofager placerer deres eget genetiske materiale i DNA'et fra de bakterier, de invaderer, og instruerer bakterierne til at lave flere fag, hvis genom derefter indeholder en blanding af det originale bakterielle DNA og bakteriofagens DNA. Når disse nye bakteriofager forlader cellen, kan de invadere andre bakterier og overføre det DNA, der er erhvervet fra den forrige vært til den nye bakteriecelle.