PROKARYOTIK HÜCRE: ÖZELLIKLERI, HÜCRE YAPISI, TÜRLERI - BIYOLOJI - 2025

Prokaryotik hücreler basit ve plazma zar yapılarına tarafından sınırlanmış bir çekirdeği olmayan bulunmaktadır. Bu hücre tipiyle ilişkili organizmalar tek hücrelidir, ancak birlikte gruplanabilir ve zincirler gibi ikincil yapılar oluşturabilirler.

Carl Woese tarafından önerilen üç yaşam alanından prokaryotlar, Bakteriler ve Arkeler'e karşılık gelir. Kalan alan olan Eucarya, sınırlı bir çekirdeğe sahip daha büyük, daha karmaşık ökaryotik hücrelerden oluşur.

Prokaryotik hücre. Kaynak: Ali Zifan, Wikimedia Commons'tan

Biyolojik bilimlerdeki en önemli ikiliklerden biri, ökaryotik ve prokaryotik hücre arasındaki ayrımdır. Tarihsel olarak, bir prokaryotik organizmanın basit, iç organizasyonu, organelleri ve hücre iskeleti olmadığı kabul edilir. Ancak yeni kanıtlar bu paradigmaları yok ediyor.

Örneğin, prokaryotlarda potansiyel olarak organel olarak düşünülebilecek yapılar tanımlanmıştır. Benzer şekilde, hücre iskeletini oluşturan ökaryotların proteinlerine homolog proteinler bulunmuştur.

Prokaryotlar, beslenmeleri açısından çok çeşitlidir. Güneşten gelen ışığı ve kimyasal bağların içerdiği enerjiyi enerji kaynağı olarak kullanabilirler. Diğerlerinin yanı sıra karbondioksit, glikoz, amino asitler, proteinler gibi farklı karbon kaynaklarını da kullanabilirler.

Prokaryotlar eşeysiz olarak ikili bölünmeye bölünür. Bu süreçte organizma dairesel DNA'sını kopyalar, hacmini arttırır ve sonunda iki özdeş hücreye bölünür.

Bununla birlikte, transdüksiyon, konjugasyon ve transformasyon gibi bakterilerde değişkenlik yaratan genetik materyal değişimi için mekanizmalar vardır.

Genel özellikleri

Prokaryotlar nispeten basit tek hücreli organizmalardır. Bu grubu tanımlayan en çarpıcı özellik, gerçek bir çekirdeğin olmamasıdır. İki büyük dala ayrılırlar: gerçek bakteri veya öbakteriler ve arkebakteriler.

Su ve topraktan insanlar da dahil olmak üzere diğer organizmaların iç kısımlarına kadar akla gelebilecek hemen hemen her habitatı kolonileştirdiler. Özellikle, arkebakteriler aşırı sıcaklıklara, tuzluluğa ve pH'a sahip bölgelerde yaşarlar.

yapı

Ortalama prokaryotik hücre.

Tipik bir prokaryotun mimari şeması, şüphesiz, normalde gastrointestinal sistemimizde yaşayan bir bakteri olan Escherichia coli'ye aittir.

Hücre şekli bir çubuğu andırır ve 1 um çapında ve 2 um uzunluğundadır. Prokaryotlar, esas olarak polisakkaritlerden ve peptitlerden oluşan bir hücre duvarı ile çevrilidir.

Bakteriyel hücre duvarı çok önemli bir özelliktir ve yapısına bağlı olarak gram pozitif ve gram negatif bakteriler olmak üzere iki büyük grupta bir sınıflandırma sistemi oluşturmaya izin verir.

Hücre duvarının ardından, organizmayı çevresinden ayıran, içinde gömülü bir dizi protez eleman bulunan lipit yapıda bir zar (prokaryotlar ve ökaryotlar arasında ortak bir unsur) buluyoruz.

DNA, belirli bir bölgede bulunan ve sitoplazma ile herhangi bir zar veya ayrılma olmayan dairesel bir moleküldür.

Sitoplazma pürüzlü bir görünüm sergiler ve yaklaşık 3.000 ribozoma sahiptir - protein sentezinden sorumlu yapılar.

Prokaryot türleri

Mevcut prokaryotlar, iki büyük alana bölünmüş çok çeşitli bakterilerden oluşur: Eubacteria ve Archaebacteria. Kanıtlara göre, bu gruplar evrimin çok erken dönemlerinde ayrışmış görünüyor.

Arkebakteriler, genellikle sıcaklıklar veya yüksek tuzluluk gibi alışılmadık ortamlarda yaşayan bir prokaryot grubudur. Bu koşullar günümüzde nadirdir, ancak dünyanın erken dönemlerinde yaygın olmuş olabilir.

Örneğin termoasidofiller, sıcaklığın maksimum 80 ° C'ye ve pH 2'ye ulaştığı bölgelerde yaşarlar.

Öbakteriler ise biz insanlar için ortak olan ortamlarda yaşarlar. Toprakta, suda ya da sindirim sistemimizin bir parçası olan bakteriler gibi diğer organizmalarda yaşayabilirler.

Prokaryotların morfolojisi

Bakteriler, bir dizi çok çeşitli ve heterojen morfolojiye sahiptir. En yaygın olanları arasında hindistancevizi adı verilen yuvarlak olanlar var. Bunlar tek tek, çiftler halinde, bir zincirde, tetradlarda vb. Meydana gelebilir.

Bazı bakteriler morfolojik olarak bir çubuğa benzer ve bunlara basil denir. Hindistancevizi gibi, birden fazla bireyle farklı düzenlemelerde bulunabilirler. Ayrıca spiral şekilli spiroketler ve vibrios adı verilen virgül veya tane şekli olanları da buluyoruz.

Tanımlanan bu morfolojilerin her biri farklı türler arasında değişebilir - örneğin, bir basil diğerinden daha uzun olabilir veya daha yuvarlak kenarlı olabilir - ve türleri tanımlarken kullanışlıdır.

üreme

Eşeysiz üreme

Bakterilerde üreme eşeysizdir ve ikili bölünme yoluyla gerçekleşir. Bu süreçte organizma kelimenin tam anlamıyla "ikiye ayrılır" ve sonuçta ilk organizmanın klonları oluşur. Bunun gerçekleşmesi için yeterli kaynaklar mevcut olmalıdır.

Süreç nispeten basittir: iki özdeş çift sarmal oluşturan dairesel DNA kopyaları. Daha sonra, genetik materyal hücre zarına yerleştirilir ve hücre, boyut olarak iki katına çıkana kadar büyümeye başlar. Hücre sonunda bölünür ve ortaya çıkan her parça dairesel bir DNA kopyasına sahiptir.

Bazı bakterilerde hücreler materyali bölerek büyüyebilir ancak tamamen bölünmez ve bir tür zincir oluşturmazlar.

Ek genetik değişkenlik kaynakları

Bakteriler arasında, cinsel üreme olarak bildiğimiz şeye benzer bir süreç olan, genetik transfer ve rekombinasyona izin veren gen değişimi olayları vardır. Bu mekanizmalar konjugasyon, dönüşüm ve transdüksiyondur.

Konjugasyon, bir "köprü" görevi gören pili veya fimbriae adı verilen ince tüylere benzer bir yapı vasıtasıyla iki bakteri arasında genetik materyalin değişiminden oluşur. Bu durumda, her iki birey arasında fiziksel bir yakınlık olmalıdır.

Dönüşüm, çevrede bulunan çıplak DNA parçalarının alınmasını içerir. Yani bu süreçte ikinci bir organizmanın varlığı gerekli değildir.

Son olarak, bakterinin genetik materyali bir vektör yoluyla, örneğin bakteriyofajlar (bakterileri enfekte eden virüsler) elde ettiği bir çeviriye sahibiz.

Beslenme

Bakterilerin hayatta kalmalarını garanti eden ve hücresel süreçler için gerekli enerjiyi veren maddelere ihtiyacı vardır. Hücre bu besinleri emerek alacaktır.

Genel olarak, besinleri temel veya temel (su, karbon kaynakları ve azotlu bileşikler), ikincil (bazı iyonlar: potasyum ve magnezyum gibi) ve minimum konsantrasyonlarda ihtiyaç duyulan eser elementler (demir, kobalt) olarak sınıflandırabiliriz.

Bazı bakteriler, vitaminler ve amino asitler gibi spesifik büyüme faktörlerine ve gerekli olmasa da büyüme sürecine yardımcı olan uyarıcı faktörlere ihtiyaç duyar.

Bakterilerin beslenme gereksinimleri çok çeşitlidir, ancak ilgili organizmanın büyümesini sağlamak için etkili kültür ortamı hazırlayabilmek için bilgileri gereklidir.

Beslenme kategorileri

Bakteriler, kullandıkları karbon kaynağına göre organik veya inorganik ve enerji üretim kaynağına göre sınıflandırılabilir.

Karbon kaynağına göre iki grubumuz var: ototroflar veya litotroflar karbondioksit kullanır ve organik karbon kaynağı gerektiren heterotroflar veya organotroflar.

Enerji kaynağı durumunda, iki kategorimiz de var: Güneşten veya ışıyan enerjiden enerji kullanan fototroflar ve kimyasal reaksiyonların enerjisine bağlı kemotroflar. Bu nedenle, her iki kategoriyi birleştiren bakteriler şu şekilde sınıflandırılabilir:

Photoautotrophs

Güneş ışığından enerji elde ederler - bu da fotosentetik olarak aktif oldukları anlamına gelir - ve karbon kaynakları karbondioksittir.

Photoheterotrophs

Gelişmeleri için ışıyan enerjiyi kullanma kabiliyetine sahiptirler, ancak karbondioksiti dahil edemezler. Bu nedenle alkoller, yağ asitleri, organik asitler ve karbonhidratlar gibi diğer karbon kaynaklarını kullanırlar.

Chemoautotrophs

Kimyasal reaksiyonlardan enerji elde ederler ve karbondioksit içerme kabiliyetine sahiptirler.

Chemoheterotrophs

Kimyasal reaksiyonlardan enerji kullanırlar ve karbon, en çok kullanılan glikoz gibi organik bileşiklerden ve ayrıca proteinlerden gelir. Her iki durumda da enerji kaynağı ve karbon kaynağı aynıdır, bu nedenle ikisi arasında ayrım yapmak zordur.

Genel olarak, insan patojeni olarak kabul edilen mikroorganizmalar bu son kategoriye aittir ve konukçularından amino asitleri ve lipit bileşiklerini bir karbon kaynağı olarak kullanır.

Metabolizma

Metabolizma, bir organizmanın gelişip çoğalabilmesi için içinde gerçekleşen tüm karmaşık, enzimle katalize edilmiş kimyasal reaksiyonları içerir.

Bakterilerde bu reaksiyonlar, daha karmaşık organizmalarda meydana gelen temel işlemlerden farklı değildir. Aslında, örneğin glikoliz gibi her iki organizma soyunun paylaştığı birden fazla yolumuz var.

Metabolik reaksiyonlar iki büyük gruba ayrılır: biyosentez veya anabolik reaksiyonlar ve kimyasal enerji elde etmek için meydana gelen bozunma veya katabolik reaksiyonlar.

Katabolik reaksiyonlar, vücudun bileşenlerinin biyosentezi için kullandığı enerjiyi kademeli bir şekilde serbest bırakır.

Ökaryotik hücrelerden temel farklılıklar

Prokaryotlar, öncelikle hücrenin yapısal karmaşıklığı ve içinde meydana gelen süreçler açısından prokaryotlardan farklıdır. Aşağıda iki soy arasındaki temel farklılıkları açıklayacağız:

Boyut ve karmaşıklık

Genel olarak prokaryotik hücreler ökaryotik hücrelerden daha küçüktür. İlki, 100 um'ye ulaşabilen bir ökaryotik hücrenin aksine 1 ile 3 um arasında çaplara sahiptir. Ancak bazı istisnalar vardır.

Prokaryotik organizmalar tek hücreli olmalarına ve onları çıplak gözle gözlemleyemememize rağmen (örneğin bakteri kolonilerini gözlemlemiyorsak) her iki grubu birbirinden ayırmak için karakteristik kullanmamalıyız. Ökaryotlarda tek hücreli organizmalar da buluruz.

Aslında, en karmaşık hücrelerden biri tek hücreli ökaryotlardır, çünkü gelişimleri için gerekli tüm yapıları bir hücre zarında hapsolmuş olmaları gerekir. Paramecium ve Trypanosoma cinsleri bunun dikkate değer örnekleridir.

Öte yandan, siyanobakteriler (fotosentetik reaksiyonların evriminin gerçekleştiği prokaryotik bir grup) gibi oldukça karmaşık prokaryotlar vardır.

çekirdek

"Prokaryot" kelimesi, ökaryotların gerçek bir çekirdeğe sahipken (eu = gerçek) çekirdeğin yokluğunu (pro = önce; karyon = çekirdek) ifade eder. Böylece, bu iki grup, bu önemli organelin varlığıyla ayrılır.

Prokaryotlarda, genetik materyal, hücrenin nükleoid adı verilen belirli bir bölgesine dağılmış olarak bulunur ve bu, bir lipid zarı ile sınırlandırılmadığı için gerçek bir çekirdek değildir.

Ökaryotların tanımlanmış bir çekirdeği vardır ve çift zarla çevrelenmiştir. Bu yapı son derece karmaşıktır ve nükleol gibi iç kısımda farklı alanlar sunar. Ayrıca bu organel, nükleer gözeneklerin varlığı sayesinde hücrenin iç ortamı ile etkileşime girebilir.

Genetik materyalin organizasyonu

Prokaryotlar, DNA'larında 0,6 ila 5 milyon baz çifti içerir ve 5.000'e kadar farklı proteini kodlayabilecekleri tahmin edilmektedir.

Prokaryotik genler, iyi bilinen laktoz operonu gibi kendilerini operon adı verilen varlıklar halinde organize ederken, ökaryotik genler bunu yapmaz.

Genlerde iki "bölge" yi ayırt edebiliriz: intronlar ve eksonlar. İlki, proteini kodlamayan ve ekson adı verilen kodlama bölgelerini kesintiye uğratan kısımlardır. İntronlar ökaryotik genlerde yaygındır ancak prokaryotlarda değildir.

Prokaryotlar genellikle haploiddir (tek bir genetik yük) ve ökaryotların hem haploid hem de poliploid yükleri vardır. Örneğin biz insanlar diploidiz. Benzer şekilde, prokaryotların bir kromozomu ve birden fazla ökaryotları vardır.

Genetik materyalin sıkıştırılması

Hücre çekirdeği içinde, ökaryotlar karmaşık bir DNA organizasyonu sergiler. Uzun bir DNA zinciri (yaklaşık iki metre uzunluğunda) çekirdeğe entegre edilebilecek şekilde bükülebilir ve bölünme işlemleri sırasında mikroskop altında kromozomlar şeklinde görselleştirilebilir.

Bu DNA sıkıştırma işlemi, ipliğe bağlanabilen ve bir inci kolyeye benzeyen yapılar oluşturabilen bir dizi proteini içerir; burada iplik, DNA ile ve boncuklar incilerle temsil edilir. Bu proteinlere histon denir.

Histonlar, evrim boyunca geniş ölçüde korunmuştur. Başka bir deyişle, histonlarımız bir fareninkine veya bir böceğinkine inanılmaz derecede benzer. Yapısal olarak, DNA'nın negatif yükleriyle etkileşime giren çok sayıda pozitif yüklü amino aside sahiptirler.

Prokaryotlarda, genellikle histon benzeri olarak bilinen, histonlara homolog bazı proteinler bulunmuştur. Bu proteinler gen ekspresyonunun, DNA rekombinasyonunun ve replikasyonunun kontrolüne katkıda bulunur ve ökaryotlardaki histonlar gibi nükleoidin organizasyonuna katılır.

Organeller

Ökaryotik hücrelerde, belirli işlevleri yerine getiren oldukça karmaşık bir dizi hücre altı bölme tanımlanabilir.

En ilgili olanlar, hücresel solunum ve ATP oluşumu süreçlerinden sorumlu olan mitokondrilerdir ve bitkilerde kloroplastlar, üç membranlı sistemleri ve fotosentez için gerekli makinelerle öne çıkmaktadır.

Aynı şekilde, Golgi kompleksine, pürüzsüz ve pürüzlü endoplazmik retikulum, vakuollere, lizozomlara, peroksizomlara ve diğerlerine sahibiz.

Ribozom yapısı

Ribozomlar

Ribozomlar, protein sentezi için gerekli mekanizmayı içerir, bu nedenle hem ökaryotlarda hem de prokaryotlarda bulunmaları gerekir. Her ikisi için de vazgeçilmez bir yapı olmasına rağmen, büyük ölçüde farklıdır.

Ribozomlar iki alt birimden oluşur: büyük ve küçük. Her alt birim, sedimantasyon katsayısı adı verilen bir parametre ile tanımlanır.

Prokaryotlarda büyük alt birim 50S ve küçük alt birim 30S'dir. Tüm yapı 70S olarak adlandırılır. Ribozomlar, görevlerini yerine getirdikleri sitoplazma boyunca dağılmıştır.

Ökaryotların daha büyük ribozomları vardır, büyük alt birim 60S'dir, küçük alt birim 40S'dir ve tüm ribozom 80S olarak belirlenmiştir. Bunlar esas olarak kaba endoplazmik retikulumda sabitlenmiştir.

Hücresel duvar

Hücre duvarı, ozmotik stresle yüzleşmek için gerekli bir unsurdur ve olası hasara karşı koruyucu bir bariyer görevi görür. Hemen hemen tüm prokaryotlar ve bazı ökaryot grupları bir hücre duvarına sahiptir. Fark, onun kimyasal yapısında yatıyor.

Bakteri duvarı, iki yapısal elementten oluşan bir polimer olan peptidoglikandan oluşur: N-asetil-glukozamin ve N-asetilmuramik asit,-1,4 tipi bağlarla birbirine bağlanır.

Ökaryotik soy içinde ayrıca bazı mantarlarda ve tüm bitkilerde duvar hücreleri de vardır. Mantar duvarında en bol bulunan bileşik kitin ve bitkilerde birçok glikoz ünitesinden oluşan bir polimer olan selülozdur.

Hücresel bölüm

Daha önce tartışıldığı gibi, prokaryotlar ikili bölünmeye bölünür. Ökaryotlar, mitoz veya mayoz olmak üzere nükleer bölünmenin farklı aşamalarını içeren karmaşık bir bölünme sistemine sahiptir.

Filogeni ve sınıflandırma

Genel olarak, 1989'da E. Mayr tarafından önerilen biyolojik kavrama göre bir türü tanımlamaya alışkınız: "diğer gruplardan üreme yoluyla izole edilmiş iç içe geçmiş doğal popülasyon grupları".

Bu kavramı prokaryotlarda olduğu gibi aseksüel türlere uygulamak imkansızdır. Bu nedenle, bu organizmaları sınıflandırmak için tür kavramına yaklaşmanın başka bir yolu olmalıdır.

Rosselló-Mora ve ark. (2011), filo-fenetik kavramı şu soyla çok uyumludur: “birçok bağımsız özellikte yüksek derecede genel benzerlik gösteren ve ayırt edici bir fenotipik özellik ile teşhis edilebilen tekil ve genomik olarak tutarlı bir bireysel organizma kümesi”.

Önceden, tüm prokaryotlar, Carl Woese, hayat ağacının üç ana dalı olması gerektiğini öne sürene kadar tek bir "alanda" sınıflandırılıyordu. Bu sınıflandırmayı takiben, prokaryotlar iki alan içerir: Archaea ve Bakteriler.

Bakteriler içinde beş grup buluyoruz: proteobakteriler, klamidya, siyanobakteriyel spiroketler ve gram pozitif bakteriler. Benzer şekilde, dört ana archaea grubumuz var: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard ve DPANN Group.

Yeni bilgiler

Biyolojide en yaygın kavramlardan biri prokaryotik sitozolün basitliğidir. Bununla birlikte, yeni kanıtlar, prokaryotik hücrelerde potansiyel bir organizasyon olduğunu düşündürmektedir. Şu anda, bilim adamları bu tek hücreli soydaki organellerin, hücre iskeletinin ve diğer özelliklerin yokluğu dogmasını tersine çevirmeye çalışıyorlar.

Prokaryotlarda organeller

Bu çok yeni ve tartışmalı önerinin yazarları, ökaryotik hücrelerde, esas olarak proteinler ve hücre içi lipidlerle sınırlandırılmış yapılarda bölümlendirme seviyeleri bulunduğunu garanti eder.

Bu fikrin savunucularına göre, bir organel, belirli bir biyokimyasal işlevi olan biyolojik bir zarla çevrili bir bölmedir. Bu tanıma uyan bu "organeller" arasında, diğerlerinin yanı sıra lipit cisimcikleri, karboksi-somlar, gaz vakuolleri var.

magnetozom

Bakterilerin en büyüleyici bölümlerinden biri manyetozomlardır. Bu yapılar, Magnetospirillum veya Magnetococcus gibi belirli bakterilerin yönelim için manyetik alanları kullanma yetenekleriyle ilgilidir.

Yapısal olarak, içi manyetik minerallerden oluşan bir lipit zarla çevrili küçük 50 nanometrelik bir gövdedir.

Fotosentetik membranlar

Dahası, bazı prokaryotlar, bu organizmalarda en çok çalışılan bölümler olan "fotosentetik zarlara" sahiptir.

Bu sistemler, fotosentezin verimliliğini en üst düzeye çıkarmak, mevcut fotosentetik protein sayısını artırmak ve ışığa maruz kalan zar yüzeyini en üst düzeye çıkarmak için çalışır.

İçindeki bölmeler

Daha önce bahsedilen bu bölmelerden ökaryotların oldukça karmaşık organellerine doğru makul bir evrimsel yol izlemek mümkün olmamıştır.

Bununla birlikte, Planctomycetes cinsinin içinde organelleri anımsatan bir dizi bölme vardır ve ökaryotların bakteri atası olarak önerilebilir. Pirellula cinsinde, biyolojik zarlarla çevrili kromozomlar ve ribozomlar vardır.

Hücre iskeletinin bileşenleri

Benzer şekilde, hücre iskeletinin bir parçası olan temel filamentler de dahil olmak üzere, tarihsel olarak ökaryotlara özgü olarak kabul edilen bazı proteinler vardır: tübülin, aktin ve ara filamentler.

Son araştırmalar, tübüline (FtsZ, BtuA, BtuB ve diğerleri), aktine (MreB ve Mb1) ve ara filamentlere (CfoA) homolog proteinleri tanımlamayı başardı.

Referanslar

1. Cooper, GM (2000). Hücre: Moleküler yaklaşım. Sinauer Associates.
2. Dorman, CJ ve Deighan, P. (2003). Bakterilerde histon benzeri proteinler tarafından gen ifadesinin düzenlenmesi. Genetik ve gelişimde güncel görüş, 13 (2), 179-184.
3. Guerrero, R. ve Berlanga, M. (2007). Prokaryotik hücrenin gizli tarafı: mikrobiyal dünyayı yeniden keşfetmek. Uluslararası Mikrobiyoloji, 10 (3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M. ve Komeili, A. (2010). Prokaryotik organellerin hücre biyolojisi. Biyolojide Cold Spring Harbor perspektifleri, a000422.
5. Rosselló-Mora, R. ve Amann, R. (2001). Prokaryotlar için tür kavramı. FEMS mikrobiyoloji incelemeleri, 25 (1), 39-67.
6. Slesarev, AI, Belova, GI, Kozyavkin, SA ve Lake, JA (1998). Ökaryotların ortaya çıkmasından önce histon H2A ve H4'ün erken prokaryotik kökenine dair kanıt. Nükleik asit araştırması, 26 (2), 427-430.
7. Souza, WD (2012). Prokaryotik hücreler: hücre iskeleti ve organellerin yapısal organizasyonu. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 107 (3), 283-293.