Rakkude PROCARIOTA omadused: struktuurne ja funktsionaalne

The prokarüootid on organismide kogum, mis sisaldab bakterid või eubakterid ja kaared oarhead. Nad on koos kõikjal levivad organismid (neid on kõikjal). Neid võib leida kõikvõimalikes keskkondades, alates mao happelisest keskkonnast kuni veealuste kuumaveeallikateni. Selle struktuur on väga lihtne ja suurus on väike. Kuigi arheedel ja bakteritel on nende vahel olulisi erinevusi, on neil rida ühiseid omadusi, mis on tüüpilised kõigile prokarüootsetele organismidele.

Selles õpetajatunnis selgitame, mida prokarüootsete rakkude omadused struktuurilisel ja funktsionaalsel tasandil.

Prokarüootsed organismid on lihtsa struktuuriga üherakulised organismid. Allpool näeme, millised on organismi peamised struktuursed omadused prokarüootsed rakud.

• Väikesed rakud, vahemikus 1–15 μm arheede korral ja 1–30 μm bakterite korral.
• Lahterdamata rakudsee tähendab, et puudub sisemine jagunemine membraanidega piiratud sektsioonidesse. Prokarüootsete rakkude ainus membraan on plasmamembraan.

See tähendab, et prokarüootsete rakkude mõned omadused on:

1. Neil pole tuuma: Nagu nimigi ütleb, puudub prokarüootsetel rakkudel tuum. Selle geneetiline materjal on sukeldatud raku tsütoplasmasse.
2. Neil ei ole membraanseid organelle, mis tähendab, et kõik raku bioloogilised funktsioonid toimuvad tsütoplasma ühes ruumis. Nende organismide plasmamembraanil on aga voldid, mis tungivad tsütoplasmasse ja nii sisaldavad ensüüme, mis reguleerivad mõningaid metaboolseid protsesse, näiteks ATP sünteesi või fotosünteesi bakterites fotosünteetiline. Neid rakumembraani invaginatsioone nimetatakse mesosoomid.

Plasma membraani tasemel on arheede ja bakterite vahel erinevusi, neil on erinev lipiidide koostis. Arheedel on plasmamembraani moodustavates lipiidides eetrisarnaseid sidemeid, mitte aga estersarnaseid sidemeid nagu bakterites ja eukarüootsetes rakkudes. Mõne arheea korral koosneb plasmamembraan ühest lipiidikihist.

Lihtne kromosoomide struktuur

Prokarüootsetes rakkudes sisaldab kogu eluks vajalik teave ühte molekuli Alasti, kaheahelaline ja ümmargune DNA, suletud kovalentse sidemega, mida nimetatakse bakteriaalne kromosoom. Lisaks mainitud kromosoomides sisalduvale geneetilisele teabele on paljudel prokarüootidel ekstrakromosomaalne geneetiline materjal, ka molekulides kaheahelalist ja ümmargust DNA-d, mis sisaldab geneetilist teavet, mis pole tingimustes organismi kasvuks hädavajalik normaalne.

Neid ekstrakromosomaalseid DNA struktuure nimetatakse plasmiidid. Plasmiidid on väikesed molekulid, mis sisaldavad ainult mõnda geeni, neil on võime paljunevad bakterikromosoomist sõltumatult ja võivad levida erinevate organismide vahel prokarüootid. Plasmiidid mängivad olulist rolli bakterite antibiootikumiresistentsuse omandamisel. Iga prokarüootne rakk toodab tavaliselt palju plasmiidi koopiaid, samal ajal kui see toodab ühe kromosoomi koopia.

• Üherakulised organismid: Prokarüoodid on alati üherakulised organismid, see on tingitud prokarüootsete rakkude struktuurilisest lihtsusest, mis takistab paljurakuliste organismide ilmnemist. Selle struktureerituse tase ei võimalda ilmneda koordinatsioonimehhanisme ja teatud funktsioonidele spetsialiseerunud rakkude ilmumist; nagu seda tehakse eukarüootse raku puhul.
• Rakuseina olemasolu: Kõigil prokarüootsetel organismidel on plasmamembraani kaitsev väliskate: rakusein. See on jäik struktuur, mis kujundab mikroorganismi. Bakterite ja arheede rakuseina koostises ja struktuuris on erinevusi. Arkeede puhul ei sisalda rakusein peptidoglükaane nagu bakterites, vaid sarnase koostisega molekule, mida nimetatakse pseudopeptidoglükaanideks. Lisaks võib arheede rakusein sisaldada ka glükoproteiine või valke. On arheia perekond, millel puudub rakusein: Termoplasma
• Kapsli olemasolu paljudel juhtudel: Ehkki see ei ole struktuur, mis esineb kõigis prokarüootsetes organismides, esineb kapsel enamikus neist. See koosneb rakuseinast väljaspool olevast želatiinse konsistentsiga kihist, mille moodustavad valgud, glükoproteiinid ja vesi; ja see võimaldab prokarüootidel substraadile kleepuda ja kolooniaid moodustada mitme inimese liitmise kaudu.
• Tsütoskeleti puudumine: Prokarüootsetel rakkudel puudub tsütoskelett (mikrotuubulitest koosnev tsütoplasmaatiline struktuur) ja nende organismide moodustamise eest vastutav struktuur on nende rakusein.
• Ribosoomide olemasolu: Ainsad prokarüootides esinevad organellid on ribosoomid. Ribosoomid on mittemembraansed organellid, mis koosnevad kahest RNA-st ja valkudest koosnevast subühikust. Need on organellid, kes vastutavad valgu sünteesi eest RNA-messenger-molekulides sisalduvast teabest. Arheede ja bakterite ribosomaalne RNA on täiesti erineva koostisega ja üks neist fülogeneetilised kriteeriumid, mis võimaldavad eristada neid kahte organismi eraldi domeenideks prokarüootid.

Jätkame prokarüootsete rakkude omaduste tundmist, et keskenduda nende funktsioonile. The prokarüootsed organismid on mitmeid funktsionaalseid omadusi, mis selgitab selle koloniseerimise lihtsust igasugustes keskkondades ja muutustega kiiresti kohaneda. Prokarüootide peamised funktsionaalsed omadused on järgmised:

Ainevahetuse mitmekesisus

Prokarüootide äärmise kohanemisvõime määrab nende genoomi (geenide komplekt, mis sisaldab organismi geneetilist teavet) äärmine paindlikkus. Prokarüootsetel organismidel on võimalus oma geene dubleerida, kustutada või muuta. See tähendab, et nende määr on väga kõrge mutatsioon.

Lisaks sellele suurele mutatsioonivõimele on prokarüootidel võime vahetada geneetilist materjali teiste nende keskkonnas leiduvate mikroorganismidega protsessis, mida nimetatakse horisontaalne geeniülekanne.

Arheede puhul on eriti oluline mehhanism horisontaalne geenisiire. Geenide horisontaalne ülekanne võimaldab prokarüootidel omandada kohanemist teistes mikroorganismides esineva keskkonnaga, mis võimaldab neil kiiresti koloniseerida uusi keskkondi. See horisontaalne geenisiirdemehhanism on võimas domineeriv jõud prokarüootide arengus ja see selgitaks näiteks antibiootikumiresistentsuse kiiret ilmnemist bakterites ja eriti arheedes.

Seksuaalne ja parasexual reproduktsioon

Seksuaalne paljunemine: Prokarüoodid paljunevad mittesugulise paljunemisega.

• Kahepoolne jaotumine või paljunemine rakulõhustumise teel: see on kõige lihtsam reproduktsioonitüüp, mille puhul üksikisik (rakk) jaguneb, et tekitada kaks rakku või indiviidi. Järjestikune jagunemine kahes jaotuses põhjustab kloonorganismide (identse geneetilise teabega) kolooniate loomise.
• Sporulatsioon: seda tüüpi mittesuguline paljunemine tähendab endosporide (resistentsuse vormide) moodustumist vastusena ebasoodsatele keskkonnatingimustele. Seda esineb ainult mõnedes bakterites, kuid mitte arheedes.

Paraseksuaalne paljunemine: Geneetiline rekombinatsioon prokarüootides. Paraseksuaalne paljunemine on selline, kus kaks organismi vahetavad geneetilist teavet või omandavad uue geneetilise teabe teiselt isikult. Need mehhanismid pakuvad prokarüootsetele organismidele geneetilist mitmekesisust, kuna tänu neile on geneetiline teave ja võimaldab koos kõrge mutatsioonimääraga ilmneda organismiliikide uusi variante prokarüootid.

Prokarüootides on erinevaid geneetilise rekombinatsiooni mehhanisme.

• Muutumine: see on protsess, mille käigus prokarüootne organism on võimeline sisaldama eksogeenset DNA-d, mis pärineb teistelt prokarüootsetelt organismidelt ja mis on keskkonnas vaba.
• Ülekanne: See on geneetilise materjali liikumine isendilt teisele bakteriofaagi kaudu (viirus, mis nakatab baktereid).
• Ühendus: See koosneb geneetilise materjali ühesuunalisest vahetamisest doonor-indiviidist retsipiendiks, nende omavahelise otsese kontakti kaudu. Plasmiidid on elemendid, mida see mehhanism kõige sagedamini edastab.

Kiire kasv

Enamik prokarüootsetest organismidest paljuneb väga kiiresti, nii et aeg on möödas põlvkonna aeg (aeg ühe põlvkonna sünnist järgmise sünnini) on väga lühike. Bakteri keskmine genereerimisaeg on 20 minutit. Suur kasv võimaldab uute keskkondade kiiret koloniseerimist.