Conţinutul principal

Curs: Biblioteca de biologie > Unitatea 8

Lecția 2: Celule procariote și eucariote

Celule procariote

Caracteristici universale ale celulelor. Caracteristici ale celulelor procariote. Raportul suprafață-volum.

Introducere

Stai o clipă și uită-te la tine. Câte organisme vezi? Primul tău gând ar putea fi că există doar unul: tu însuți. Cu toate acestea, dacă ai privi mai îndeaproape, pe suprafața pielii sau în interiorul tubului digestiv, ai vedea că, de fapt, există multe organisme care trăiesc acolo. Așa este — găzduiești aproximativ 100 de trilioane de celule bacteriene!

Asta înseamnă că, de fapt, corpul tău este un ecosistem. Înseamnă, de asemenea, că tu — pentru o anumită definiție a cuvântului tu — într-adevăr, ești format din ambele tipuri majore de celule: procariote și eucariote.

Toate celulele se încadrează într-una din aceste două categorii largi. Organismele unicelulare ale domeniilor Bacteria și Archaea sunt procariote — pro înseamnă înainte și karuon înseamnă nucleu. Animalele, plantele, ciupercile și protistele sunt toate eucariote — eu înseamnă adevărat — și sunt compuse din celule eucariote. Adesea — chiar și la om — există niște prieteni procarioți care ne înconjoară.

Asta depinde pe cine întrebi! În general, procariotele sunt organisme unicelulare. Cu toate acestea, există tot mai multe dovezi că unele grupuri de celule procariote se pot organiza pentru a forma structuri care seamănă cu organisme multicelulare. Dacă aceasta poate fi considerată multicelularitate „reală” este dezbătută astăzi de către cercetători.

De exemplu, anumite tipuri de cianobacterii formează lanțuri lungi, asemănătoare unor filamente, vezi imaginea de mai jos. În aceste lanțuri, celulele rămân conectate una de cealaltă după diviziune și dobândesc identități și funcții celulare unice. Unele celule din lanț sunt specializate pentru a realiza fotosinteză, producția de zaharuri utilizând energie de la soare. În imaginea de mai jos, acestea sunt celule mai mici, mai întunecate, care alcătuiesc cea mai mare parte a lanțului. Altele sunt specializate să fixeze azot, transformând

N_{2}

atmosferic în forme mai utile biologic. În imaginea de mai jos este prezentată doar o celulă de fixare a azotului și pare mai rotundă și mai puțin colorată decât vecinii săi.

Componentele celulelor procariote

Există unele ingrediente cheie de care are nevoie o celulă pentru a fi celulă, indiferent dacă este procariotă sau eucariotă. Toate celulele au patru componente cheie comune:

Membrana celulară este un înveliș exterior care separă interiorul celulei de mediul înconjurător.
Citoplasma constă din citosolul de tip gelatinos din interiorul celulei, plus structurile celulare suspendate în el. La eucariote, citoplasma înseamnă în mod specific regiunea din afara nucleului, dar din interiorul membranei celulare.
ADN-ul este materialul genetic al celulei.
Ribozomi sunt mecanisme moleculare care sintetizează proteine.

În ciuda acestor asemănări, procariotele și eucariotele diferă între ele prin caracteristici importante. O procariotă este un organism simplu, unicelular, care nu are nucleu și organite separate de membrană. Vom vorbi mai mult despre nucleu și organite în următorul articol despre celulele eucariote, dar cel mai important lucru de avut în vedere, deocamdată, este că interiorul celulelor procariote nu este divizat prin pereți membranari, ci constă într-un singur spațiu deschis.

Majoritatea

ADN

-ului procariotic se găsește într-o regiune centrală a celulei numită nucleoid și constă, de obicei, dintr-o singură buclă mare numită cromozom circular. Nucleoidul și alte caracteristici observate frecvent ale procariotelor sunt prezentate în diagrama de mai jos a unei bacterii în formă de bastonaș.

Bacteriile constituie un grup divers, astfel că nu fiecare tip de bacterie va avea toate caracteristicile prezentate în diagramă.

Cu toate acestea, majoritatea bacteriilor sunt înconjurate de un perete celular rigid alcătuit din peptidoglican, un polimer compus din lanțuri de carbohidrați și din proteine mici. Peretele celular asigură un strat suplimentar de protecție celulei, o ajută să-și mențină forma și previne deshidratarea. Multe bacterii au, de asemenea, un strat periferic de carbohidrați numit capsula. Capsula este lipicioasă și ajută celula să se atașeze la suprafețele din mediul său.

Unele bacterii au, de asemenea, structuri specializate care se găsesc pe suprafața celulei, ceea ce le poate ajuta să se miște, să se atașeze de suprafețe sau chiar să schimbe material genetic cu alte bacterii. De exemplu, flagelul este o structură asemănătoare unui bici care acționează ca un motor rotativ pentru a ajuta bacteriile să se miște.

Fimbriile sunt structuri numeroase, asemănătoare firelor de păr, care sunt utilizate pentru fixarea pe celulele gazdă și pe alte suprafețe. Bacteriile pot avea, de asemenea, structuri filamentoase scurte și rigide, cunoscute sub numele de pili, cu diferite roluri. De exemplu, unele tipuri de pili permit unei bacterii să transfere molecule

ADN

către alte bacterii, în timp ce altele sunt implicate în locomoție — ajutând bacteriile să se miște.

Este posibil să fi auzit de fimbrii ca un tip de pili — de exemplu, unele surse le numesc pili comuni sau pili de atașament

^{1}

. Aceste nume multiple reflectă o istorie îndelungată în care doi termeni diferiți, fimbrie și pili, au fost utilizați ambii de către oamenii de știință pentru a descrie proeminențele de pe suprafața celulelor bacteriene.

De regulă, termenul fimbrie este folosit pentru a descrie o clasă de proeminențe de pe suprafeța celulară care sunt numeroase, relativ scurte și implicate în fixarea pe suprafețe, în timp ce termenul pili este utilizat pentru proeminențele mai lungi și mai specializate de pe suprafața celulară. Acestea sunt sensurile pe care le folosim pentru acești doi termeni în acest articol.

Arheele pot avea, de asemenea, majoritatea acestor caracteristici pe suprafața celulară, dar versiunile lor ale unei caracteristici sunt de obicei diferite de cele ale bacteriilor. De exemplu, deși arheele au un perete celular, acesta nu este format din peptidoglicani — deși conține polizaharide și proteine.

Dimensiunea celulei

Celulele procariote tipice variază între 0,1 și 5 micrometri (μm) în diametru și sunt semnificativ mai mici decât celulele eucariote, care au de obicei diametrul cuprins între 10 și 100 μm.

Figura de mai jos prezintă dimensiunile celulelor procariote (bacterii și eucariote), vegetale și animale, precum și alte molecule și organisme, pe o scară logaritmică. Fiecare unitate de creștere a unei scări logaritmice reprezintă o creștere de 10 ori a cantității măsurate, deci, vorbim despre diferențe mari de mărime!

Cu câteva excepții grozave — vezi algele marine unicelulare Caulerpa — celulele trebuie să rămână destul de mici, indiferent dacă sunt procariote sau eucariote. De ce ar trebui să se întâmple acest lucru? Răspunsul simplu este că, pe măsură ce celulele devin mai mari, le este mai greu să schimbe destui nutrienți și deșeuri cu mediul lor. Pentru a vedea cum funcționează acest lucru, hai să ne uităm la raportul suprafață-volum al unei celule.

Să presupunem, ca să păstrăm lucrurile simple, că avem o celulă care are forma unui cub. Unele celule vegetale sunt, de fapt, în formă de cub. În cazul în care lungimea uneia dintre laturile cubului este

l

, aria cubului va fi

6 l^{2}

, iar volumul cubului va fi

l^{3}

. Asta înseamnă că, pe măsură ce

l

se mărește, aria va crește rapid, având în vedere că se schimbă cu pătratul

l

-ului. Cu toate acestea, volumul va crește și mai repede, deoarece se schimbă cu cubul

l

-ului.

Astfel, pe măsură ce celula se mărește, raportul dintre suprafață și volum scade. De exemplu, celula în formă de cub din stânga are volumul de 1 mm

^{3}

și suprafața de 6 mm

^{2}

, cu raportul suprafață-volum de șase la unu, în timp ce celula în formă de cub din dreapta are volumul de 8 mm

^{3}

și aria suprafeței de 24 mm

^{2}

, cu raportul suprafață-volum de trei la unu.

Raportul suprafață-volum este important, deoarece membrana celulară este interfața celulei cu mediul. Dacă celula are nevoie să preia nutrienți, trebuie să facă acest lucru prin membrană, iar dacă are nevoie să elimine deșeurile, membrana este din nou singura cale.

Fiecare bucată de membrană poate schimba numai o anumită cantitate dintr-o anumită substanță, într-o anumită perioadă de timp — de exemplu, pentru că are un număr limitat de canale. Dacă celula devine prea mare, membrana sa nu va avea suficientă capacitate de schimb (suprafață, funcție pătrată) pentru a susține rata de schimb necesară pentru creșterea activității sale metabolice (volum, funcție cubică).

Problema suprafață-volum este doar una dintr-o serie de dificultăți legate de o celulă de dimensiune mare. Pe măsură ce celulele devin din ce în ce mai mari, transportul materialelor în interiorul acestora durează mai mult. Aceste considerații stabilesc o limită superioară a dimensiunii celulelor, celule eucariote depășind celulele procariote, datorită caracteristicilor lor structurale și metabolice — pe care le vom explora în secțiunea următoare.

Unele celule folosesc și trucuri geometrice pentru a ocoli problema suprafață-arie-volum. De exemplu, unele celule sunt lungi și subțiri sau au multe proeminențe pe suprafață, caracteristici care cresc aria suprafeței în raport cu volumul

^{2}

Surse

Acest articol este un derivat modificat al „Prokaryotic cells” de OpenStax College, Biology, CC BY 3.0. Descărcați articolul original gratuit de la http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:17/Biology.

Articolul modificat este licențiat sub o licență CC-BY-NC-SA 4.0.

Lucrări citate

Telford, John L., Michèle A. Barocchi, Immaculada Margarit, Rino Rappuoli și Guido Grandi. „Pili in Gram-positive Pathogens”. Nature Reviews Microbiology Nat Rev Micro 4, no. 7 (2006): 509-19. http://dx.doi.org/10.1038/nrmicro1443. Preluat de la https://med.uth.edu/mmg/files/2014/12/Ton-That_Telford_012215.pdf.
Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky și R. B. Jackson, „A tour of the cell”, în Campbell biology, ed. 10 (San Francisco, CA: Pearson, 2011), 98.

Referințe suplimentare

„Bacteria - pili”. Cronodon Museum. http://cronodon.com/BioTech/Bacteria_pili.html.

„Caulerpa”. Wikipedia. 1 decembrie 2014. Accesat pe 9 august 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Caulerpa.

Esko, J. D., T. L. Doering și C. R. H. Raetz. „Eubacteria and Archaea”. În Essentials of Glycobiology, editat de A. Varki, R. D. Cummings, J. D. Esko, H. H. Freeze, P. Stanley, C. R. Bertozzi, G. W. Hart și M. E. Etzler. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.

„Eukaryotic cells”. Scitable. 2014. http://www.nature.com/scitable/topicpage/eukaryotic-cells-14023963.

Jarrell, K. F., D. J. VanDyke și J. Wu. „Archael flagella and pili”. În Pili and flagella: Current research and future trends, editat de K. F. Jarrell, 215-234. Norfolk, UK: Caister Academic Press, 2009.

Kaiser, G. E. „Cellular organization: prokaryotic and eukaryotic cells”. Dr. Kaiser’s microbiology course (BIOL 230). Aprilie 2014. http://faculty.ccbcmd.edu/courses/bio141/lecguide/unit1/proeu/proeu.html.

„Pilus”. Wikipedia. 7 martie 2015. Accesat pe 9 august 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Pilus.

Raven, P. H., G. B. Johnson, K. A. Mason, J. B. Losos și S. R. Singer. „Cell structure”. În Biology, 59-87. ed. 10. ed. AP. New York, NY: McGraw-Hill, 2014.

Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky și R. B. Jackson. „A tour of the cell”. În Campbell biology , 92-123. ed. 10. San Francisco, CA: Pearson, 2011.

Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Wasserman, P. V. Minorsky și R. B. Jackson. „Structural and functional adaptations contribute to prokaryotic success”, 92-123. ed. 10. San Francisco, CA: Pearson, 2011.

„Surface-area-to-volume ratio”. Wikipedia, 1 august 2015. Accesat pe 9 august 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Surface-area-to-volume_ratio.

Todar, K. „Structure and function of bacterial cells”. Todar's online textbook of bacteriology. 2012. http://textbookofbacteriology.net/structure_3.html.

Vrei să te alături conversației?

Conectare

Ordonare după:

Nici o postare încă.

Înțelegi engleza? Dă clic aici pentru a vedea mai multe discuții care au loc pe site-ul în limba engleză al Khan Academy.