Prokarioty

Z Wikipedii

Bezjądrowce
Systematyka
Domena: bezjądrowce
Nazwa systematyczna
Prokaryota

Prokarioty (Prokaryota; Procaryota; Prokarionty, inaczej nazywana królestwem bakterii) takson wyróżniany w systemie Whittakera i Margulis w randze nadkrólestwa, w różnej randze obecny także w innych podziałach z XX wieku, np. Chattona (1937), Copelanda (1956). Obejmował organizmy w większości jednokomórkowe, których komórka nie zawiera jądra komórkowego (w przeciwieństwie do eukariotów). Ponieważ początkowo utożsamiano prokarioty wyłącznie z bakteriami często używano zamiennie słów 'bakterie' i 'prokarioty'. W końcu XX wieku badania molekularne przyniosły kluczowe informacje dla zrozumienia przeszłości ewolucyjnej prokariotów i dowiodły parafiletycznego charakteru tego taksonu. Okazało się, że odkryte w latach 70. XX wieku archeowce są równie odległe od bakterii, jak od eukariotów, a pod pewnymi względami nawet bliższe tym ostatnim (patrz intron). Obecnie taksonomowie wydzielają w ślad za propozycją Woesego (1990): bakterie, archeowce i jądrowce w odrębne taksony, przy czym dwa ostatnie tworzą wspólny klad, tj. zakłada się, że posiadały wspólnego przodka.

Nazwa "prokarioty" pochodzi od greckiego pros (przed) i karyon (jądro).

Lista synonimów nazwy "prokarioty":
prokarionty, akariobionty, akariota, organizmy akariotyczne, anukleobiony, bezjądrowce, bezjądrowe, prokariota, protokarionty, organizmy prokariotyczne, przedjądrowce.

Spis treści 1 Budowa komórki 2 Funkcje życiowe 2.1 Odżywianie 2.2 Oddychanie wewnątrzkomórkowe 2.3 Wiązanie azotu cząsteczkowego (N2) 2.4 Rozmnażanie 2.5 Koniugacja 3 Systematyka prokariontów 3.1 Metody klasyfikacji 3.2 Podział systematyczny 4 Występowanie i znaczenie 5 Bibliografia 6 Przypisy

[edytuj] Budowa komórki

Komórka organizmu prokariotycznego jest zazwyczaj znacznie mniejsza od komórki eukariotycznej i nie zawiera jądra, wakuoli, siateczki endoplazmatycznej, aparatu Golgiego, centrioli, wrzeciona podziałowego, mitochondriów i chloroplastów, czyli struktur charakterystycznych dla eukariotów. DNA prokariotów nie jest połączony z histonami i występuje w postaci długiej podwójnej nici zwanej genoforem (czasem określanej też mianem pojedynczego chromosomu), splątanej w kłębek w obszarze jądrowym (nukleoid), który nie jest ograniczony i oddzielony od cytoplazmy błoną jądrową.

W cytoplazmie prokariotów znajdują się: mezosomy, rybosomy, a u form fotosyntetyzujących dodatkowo jeszcze chromatofory lub tylakoidy. W cytoplazmie mogą występować koliste struktury zbudowane z DNA i zwane plazmidami. Dodatkowymi elementami, w które mogą być zaopatrzone powłoki komórek bakteryjnych są rzęski i fimbrie (inaczej pile); u większości występuje też mureinowa ściana komórkowa, zazwyczaj otoczona z zewnątrz warstwą śluzu.

Prokarioty rozmnażają się bez udziału procesu płciowego, przez podział komórki, jednakże obserwuje się u nich procesy o charakterze paraseksualnym, w trakcie których dochodzi do wymiany lub transferu DNA (koniugacja, transdukcja i transformacja).

[edytuj] Funkcje życiowe

[edytuj] Odżywianie

Pierwotnie komórki prokariotyczne formowały się w środowisku o dużej zawartości związków organicznych i dlatego zapewne były cudzożywne, czyli heterotroficzne. Mogły korzystać ze związków organicznych powstających samorzutnie w pierwotnych oceanach, wchłaniając je bezpośrednio przez ścianę i błonę komórkową. Związki zbyt duże, aby mogły przejść przez powłoki komórki, były rozkładane (trawione) przez enzymy wydzielane na zewnątrz. Taki sposób odżywiania zachowała do dziś większość bakterii wodnych i glebowych, chociaż związki, z których korzystają, pochodzą z rozkładu martwych organizmów roślinnych, zwierzęcych i innych.^[1]

W miarę wzrostu liczby organizmów w pierwotnych środowiskach zaczęło brakować wolnych związków organicznych. Przypuszczalnie wówczas powstawały bakterie samożywne, czyli autotroficzne, które same wytwarzały (syntezowały) złożone związki organiczne z prostych związków nieorganicznych. Zakłada się, że pierwotnie energia potrzebna do tych syntez pochodziła z egzoenergetycznych reakcji chemicznych, czyli procesów chemosyntezy. Dziś ten typ odżywiania występuje u bakterii nitryfikacyjnych, takich jak Nitrosomonas (utleniający amoniak NH₃ do soli kwasu azotowego III) i Nitrobacter (utleniający sole kwasu azotowego III do soli kwasu azotowego V), a także w komórkach bakterii siarkowych, żelazowych i innych.

Niektóre bakterie wykorzystywały do syntezy związków organicznych zamiast energii chemicznej świetlną – w procesie fotosyntezy. Podstawowym związkiem umożliwiającym zamianę energii świetlnej na chemiczną był zapewne bakteriochlorofil – związek występujący także u niektórych współczesnych bakterii fotoautotroficznych (np. u bakterii purpurowych).

Około 2,8 miliarda lat temu u pewnej grupy bakterii, zwanych dziś sinicami (lub cyjanobakteriami), pojawił się inny typ chlorofilu, tak zwany chlorofil a. Proces fotosyntezy przy wykorzystaniu tego chlorofilu jest bardziej wydajny. Źródłem wodoru niezbędnego do syntezy cukrów stała się woda, a produkt ubocznym – tlen cząsteczkowy – uwalniał się do otoczenia. Zapewne właśnie ten tlen, produkowany przez pierwotne sinice, doprowadził około 2 miliardów lat temu do przebudowy składu chemicznego całej ziemskiej atmosfery.

[edytuj] Oddychanie wewnątrzkomórkowe

Bakterie oddychają zarówno beztlenowo, jaki i tlenowo. To pierwsze jest zapewne pierwotniejszym sposobem uzyskiwania energii, ponieważ w czasach powstawania pierwszych prokariontów ani w atmosferze, ani w wodach nie było wolnego tlenu cząsteczkowego. Proces oddychania beztlenowego, zwany też fermentacją, zachodzi bezpośrednio w cytoplazmie bakterii zwanych anaerobami i polega na rozkładzie (utlenieniu) cukrów. Wydziela się wówczas energia. Końcowym produktem tego rozpadu może być kwas mlekowy, etanol albo też kwas octowy i jego związki.

Fermentacja jest jednak procesem mało wydajnym. Dlatego z chwilą pojawienia się w środowisku tlenu cząsteczkowego niektóre bakterie, zwane aerobami, zaczęły go używać do całkowitego utlenienia cukrowców do dwutlenku węgla i wody. W tym procesie uzyskuje się kilkakrotnie więcej energii niż podczas fermentacji. Obecnie większość bakterii to aeroby. Końcowe (tlenowe) etapy oddychania zachodzą u bakterii bezpośrednio na błonie komórkowej, być może biorą w nim udział mezosomy.

[edytuj] Wiązanie azotu cząsteczkowego (N₂)

Chociaż wszystkie organizmy potrzebują azotu (wchodzi w skład m.in. aminokwasów), to tylko niektóre prokarionty potrafią przyswajać jego postać cząsteczkową – N₂ – bezpośrednio z atmosfery, gdzie tego pierwiastka jest najwięcej (stanowi ok. 78% objętości powietrza).

Tę złożoną biochemicznie umiejętność, wymagającą dużych nakładów energii, posiadało kilka bakterii glebowych, np. tlenowce – Azotobacter, symbionty roślin – Rhizobium, beztlenowce – Clostridium pasteurianum i inne. Wolny azot wiążą także liczne wodne sinice.

Dzięki zdolności do asymilacji wolnego azotu bakterie te mogą żyć w środowiskach bardzo ubogich w związki azotowe. Jednocześnie obumierając, same są źródłem przyswajalnego azotu dla organizmów eukariotycznych. W ten sposób prokarionty uczestniczą w obiegu tego pierwiastka w przyrodzie.

[edytuj] Rozmnażanie

Wszystkie bakterie mają jedną cząsteczkę DNA^[2], będącą pojedynczym zestawem genów. Takie organizmy nazywamy haploidalnymi. Prokarionty rozmnażają się jedynie w sposób bezpłciowy przez podział komórki lub rzadziej fragmentację kolonii jako że genofor nie tworzy nawet jednego klasycznego chromosomu (choć czasami bywa tak nazywany), podział bakterii polega na podwojeniu (replikacji) cząsteczki DNA, rozdzieleniu obu nitek i przedzieleniu cytoplazmy mniej więcej na połowę. Taki podział komórki jest stosunkowo prosty w odróżnieniu od mitozy, występującej u eukariontów, nazwany został podziałem bezpośrednim, inaczej amitozą. Kolejne podziały w sprzyjających warunkach mogą zachodzić nawet co 15 minut.

[edytuj] Koniugacja

Prokarionty nie rozmnażają się płciowo. Jednak u niektórych zaobserwowano proces wymiany materiału genetycznego pomiędzy osobnikami. W trakcie koniugacji bakterie łączą się za pomocą fimbrii i wymieniają część materiału genetycznego w postaci plazmidów bądź fragmentów genoforu. Proces ten prowadzi do zwiększenia różnorodności genetycznej bakterii.

[edytuj] Systematyka prokariontów

[edytuj] Metody klasyfikacji

Prokarionty są organizmami bardzo mało zróżnicowanymi, dlatego też ich klasyfikacja powoduje sporo trudności. Wydawałoby się, że najlepszym kryterium podziału byłby kształt komórki. Okazuje się jednak, że nie jest on odzwierciedleniem naturalnych linii filogenetycznych tych organizmów. Także ogólne funkcje życiowe, takie jak sposób oddychania, odżywiania się, poruszania itp., nie pozwalają na prawidłowe naturalne sklasyfikowanie bakterii.

Jedną z pierwszych metod naukowej klasyfikacji bakterii wprowadził w roku 1884 Hans Gram – jest to tak zwana metoda Grama. Za pomocą barwienia ustalił on dwie główne grupy bakterii: Gram – dodatnie (G+) barwiące się na niebiesko oraz Gram – ujemne (G-) barwiące się na czerwono.

Dzięki późniejszym badaniom mikroskopowym wiadomo dziś, że sposób barwienia zależy od budowy ściany komórkowej – bakterie (G+) mają grubą ścianę mureinową, zaś bakterie (G-) cienką, ale za to występuje u nich podwójna błona komórkowa. Rozwój biologii molekularnej w XX i XXI wieku umożliwił bardziej precyzyjny podział prokariontów. Powstanie stosowanego do dziś systemu stało się możliwe dzięki badaniu podobieństwa sekwencji DNA (stopnia homologii) oraz obecności określonych enzymów i szlaków metabolicznych.

[edytuj] Podział systematyczny

• Archeany
• Eubakterie
  • Sinice (Cyanobacteria)
  • Promieniowce (Actinomycetes)
  • Krętki (Spirochaetae)
  • Firmicutes
  • Protobakterie (Proteobacteria)

[edytuj] Występowanie i znaczenie

Nie ma w zasadzie środowiska, w którym nie występowałyby jakieś organizmy prokariotyczne. Nie odstraszają ich gorące źródła ani głębinowe kominy hydrotermalne, wyrzucające wrzątek i związki siarki. Zasiedlają wszelkiego typu wody, glebę, a nawet ciała wyższych organizmów, spełniając ważne funkcje biologiczne i gospodarcze.

Bakterie glebowe i wodne, których liczba może przekraczać 3 miliony w 1 g gleby i 100 milionów w 1 g mułu dennego zbiorników^[3], najczęściej saprofitami. W ekosystemach tworzą wraz z innymi organizmami poziom troficznymi reducentów (przykładem mogą być tu liczne grupy promieniowców). Same są jednocześnie pożywieniem dla olbrzymiej liczby protistów. Dlatego też biorą udział w krążeniu materii w ekosystemach, a także w obiegu pierwiastków w całej biosferze (np. węgla, azotu, wodoru, tlenu, siarki, fosforu i innych).

Prokarionty, które przeszły do życia wewnątrz innych, wielokomórkowych organizmów i zachowały pierwotny, heterotroficzny sposób pożywiania, mogą być symbiontami, komensalami bądź pasożytami. Symbiotyczne prokarioty żyją wewnątrz innych organizmów, przy czym współżycie to jest obustronnie korzystne. Przykładem mogą być tu bakterie umożliwiające trawienie celulozy (m.in. rodzaj Bacteroides), żyjąc w żwaczu przeżuwaczy, bądź w jelicie termitów (krętek Pillotina). Do tej grupy zaliczone są też bakterie z rodzaju Rhizobium, żyjące w specjalnie ukształtowanych brodawkach korzeniowych roślin motylkowych, takich jak groch, fasola, łubin czy wyka.

Oto niektóre powszechne choroby człowieka wywoływane przez organizmy prokariotyczne:

• Dur brzuszny
• Gruźlica
• Zapalenie płuc
• Kiła
• Rzeżączka
• Błonica
• Tężec
• Czerwonka bakteryjna
• Trąd
• Cholera
• Dżuma

W odległych epokach geologicznych organizmy prokariotyczne brały udział w tworzeniu złóż ropy naftowej, siarki, pokładów rud żelaza czy naturalnych złóż saletry amonowej. Od początku swego istnienia uczestniczą w obiegu materii w przyrodzie.

Dziś różne szczepy bakterii wykorzystywane są przez człowieka na skalę przemysłową do produkcji alkoholi, kwasów organicznych, antybiotyków, hormonów, enzymów, witamin i aminokwasów. Powodują również kiszenie ogórków, kapusty czy oliwek, a także zsiadanie się mleka, co jest podstawą produkcji jogurtów i serów. Sinice ze względu na zdolność przyswajania wolnego azotu z powietrza – są wykorzystywane jako naturalny nawóz. Biogaz powstający podczas beztlenowej fermentacji obornika jest stosowany do ogrzewania pomieszczeń i napędzania pojazdów, a proces tlenowego lub beztlenowego utleniania ścieków przez mikroorganizmy jest podstawą funkcjonowania biologicznych oczyszczalni ścieków. Bakterie transgeniczne (czyli zmienione genetycznie) potrafią produkować ludzką insulinę, hormon wzrostu, czynniki krzepliwości krwi itp.

[edytuj] Bibliografia

• J. Balerstet, W. Lewiński, J. Prokop, K. Sabath, G. Skirmuntt, BIOLOGIA 1, Gdynia 2003, Operon, ISBN 83-7390-141-8

Przypisy