Прокариоти: бактерии и археи — структура, характеристики и значение

Научете всичко за прокариотите — бактерии и археи: структура, ключови характеристики и тяхното екологично и медицинско значение в ясен и достъпен обзор.

Прокариотите (или монери) са едни от най-простите живи същества: бактерии и археи. Те обикновено нямат клетъчно ядро, ядрена мембрана или клетъчни органели, но са открити малък брой изключения. Прокариотите са едноклетъчни организми. Типичното им телесно устройство е по-просто в сравнение с еукариотните клетки, но това не намалява тяхната функционална сложност и разнообразие в природата.

Някои от тях образуват биофилми, които донякъде приличат на многоклетъчни организми. Биофилмите са организирани слоеве от клетки, свързани чрез слузест матрикс, и позволяват на прокариотите да комуникират помежду си чрез механизми като кворасенсинг (quorum sensing), да се предпазват от външни въздействия и да обменят гени.

Освен ядро, прокариотите нямат и други неща, които притежават еукариотите (клетките с истинско ядро). Те се размножават без сливане на гамети. Те нямат мембрани вътре в клетката. Това означава, че в клетката няма вакуоли, апарат на Голджи, ендоплазмени ретикули или други органели. Въпреки това те имат рибозоми, макар и от по-прост вид в сравнение с еукариотите. Еукариотните клетки включват органели, които някога са били свободно живеещи прокариоти.

Структура на прокариотната клетка

Прокариотните клетки имат няколко характерни компонента:

• Клетъчна мембрана: фосфолипиден двоен слой, който контролира обмена на вещества.
• Клетъчна стена: при много бактерии съдържа пептидогликан (муреин); при археите стените имат различен състав (например псевдопептидогликан или S-слой).
• Цитоплазма: съдържа рибозоми (70S), ензими и резервни вещества.
• Нуклеоид: област, където се намира хромозомната ДНК — обикновено една циркулярна молекула; често присъстват и плазмиди (малки кръгови ДНК молекули).
• Външни структури: флагели за движение, пили и фимбрии за прикачване, капсули за защита и образуване на биофилми.

Прокариотите варират по размер, но повечето са между 0.2 и 10 µm в диаметър. Някои бактерии образуват специфични устойчиви форми като ендоспори (напр. Bacillus, Clostridium), които позволяват преживяване при неблагоприятни условия.

Форма и морфология

• Кокови (сферични)
• Бацилни (пръчковидни)
• Спирални (спирили, спирохети)
• Вретеновидни и други вариации

Генетика и размножаване

Прокариотите се размножават главно чрез бинарно делене (простата митоза). Освен това обменят генетичен материал чрез т.нар. хоризонтален трансфер: трансформация (поемане на свободна ДНК), конюгация (подаване на ДНК между клетки чрез контакт) и трансдукция (пренос чрез бактериофаги). Плазмидите често носят гени за антибиотична резистентност или за метаболитни пътища. Археите и бактериите притежават различни особености в рибозомите и генетичната си машина, което е причината за големите генетични различия между тях.

Метаболитно разнообразие

Прокариотите имат изключително разнообразни метаболни стратегии и могат да използват различни източници на енергия и въглерод:

• Фототрофи — използват светлина (напр. цианобактерии).
• Хемотрофи — извличат енергия от окисление на химични съединения (органични или неорганични).
• Автотрофи — фиксират въглероден диоксид (CO2) за растеж (фотоавтотрофи, хемоавтотрофи).
• Миксотрофи и други комбинирани стратегии.

Специални групи включват метаногените (археи, произвеждащи метан), нитрифициращите бактерии (важни за азотния цикъл) и сулфат-редуциращите бактерии. Много прокариоти могат да живеят в екстремни условия — високи/ниски температури, висока соленост, екстремно pH или високо налягане — особено сред археите.

Класификация и история

През 1977 г. Карл Уес предлага да се разделят прокариотите на бактерии и археи (първоначално Eubacteria и Archaebacteria) поради големите разлики в структурата и генетиката на двете групи организми. Това подреждане на Eukaryota (наричани още "Eukarya"), Bacteria и Archaea се нарича трикомпонентна система, която заменя традиционната двукомпонентна система. Класификацията се основава предимно на сравнения на рибозомни РНК и други молекулярни маркери.

Разлики между бактерии и археи

Ключови различия включват:

• Състав на клетъчната мембрана: липиди с ефирни връзки при археите срещу естерни връзки при бактериите.
• Клетъчна стена: пептидогликан при бактериите; археите нямат пептидогликан или имат вариации (псевдопептидогликан).
• Молекуларни разлики: разлика в последователностите на рРНК и в белтъчен синтез, което обяснява защо някои антибиотици действат само при бактерии.

Екологично и медицинско значение

Прокариотите играят ключова роля в екосистемите: те са основни разлагатели, участници в цикъла на елементите (въглерод, азот, сяра), симбионти в стомашно-чревния тракт на животни и растения (напр. бактерии фиксиращи азот при бобови растения), и производители на биомаса в много среди. Някои са патогенни за хора, животни и растения, причинявайки инфекции и болести. Промените в средата и използването на антибиотици доведоха до разпространение на резистентни щамове.

Практически приложения

Прокариотите са важни в биотехнологиите и промишлеността: ферментации (производство на храни и напитки), производство на антибиотици и ензими, биоремедиация (почистване на замърсявания), генетична инженерия (плазмиди като вектори) и основа за методи като CRISPR-Cas, открита като защитен механизъм при бактерии и археи и приспособена в инструмент за редактиране на геноми.

Заключение

Прокариотите — бактерии и археи — въпреки простата си клетъчна организация, притежават огромно биологично и екологично значение. Те са метаболитно и екологично разнообразни, ключови за живота на Земята и незаменими в много промишлени и медицински приложения.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват прокариотите?

В: Имат ли прокариотите клетъчно ядро?

В: Какъв е генетичният материал при прокариотите?

В: Към кой вид бактерии спадат цианобактериите?

В: Как се размножават прокариотите?

В: Имат ли прокариотните клетки мембрани?

Въпрос: Откъде произлизат еукариотните клетки?

Търсене по буква