PROKARYOTE CEL: KENMERKEN, CELSTRUCTUUR, TYPEN - BIOLOGIE - 2026

De prokaryote cellen zijn eenvoudig en zonder kern begrensd door plasmamembraanstructuren. De organismen die met dit celtype zijn geassocieerd, zijn eencellig, hoewel ze zich kunnen groeperen en secundaire structuren kunnen vormen, zoals ketens.

Van de drie door Carl Woese voorgestelde levensdomeinen komen prokaryoten overeen met Bacteria en Archaea. Het resterende domein, Eucarya, bestaat uit grotere, meer complexe eukaryote cellen met een afgebakende kern.

Prokaryote cel. Bron: door Ali Zifan, van Wikimedia Commons

Een van de belangrijkste dichotomieën in de biologische wetenschappen is het onderscheid tussen de eukaryote en de prokaryote cel. Historisch gezien wordt een prokaryotisch organisme als eenvoudig beschouwd, zonder interne organisatie, zonder organellen en zonder cytoskelet. Echter, nieuw bewijs vernietigt deze paradigma's.

Er zijn bijvoorbeeld structuren geïdentificeerd in prokaryoten die mogelijk als organellen kunnen worden beschouwd. Evenzo zijn er eiwitten gevonden die homoloog zijn aan de eiwitten van eukaryoten die het cytoskelet vormen.

Prokaryoten zijn zeer gevarieerd qua voeding. Ze kunnen het licht van de zon en de energie in chemische bindingen gebruiken als energiebron. Ze kunnen ook verschillende koolstofbronnen gebruiken, zoals onder meer kooldioxide, glucose, aminozuren, eiwitten.

Prokaryoten delen aseksueel door binaire splitsing. Tijdens dit proces repliceert het organisme zijn circulaire DNA, vergroot het zijn volume en verdeelt het zich uiteindelijk in twee identieke cellen.

Er zijn echter mechanismen voor de uitwisseling van genetisch materiaal die variabiliteit in bacteriën veroorzaken, zoals transductie, conjugatie en transformatie.

Algemene karakteristieken

Prokaryoten zijn relatief eenvoudige eencellige organismen. Het meest opvallende kenmerk dat deze groep identificeert, is de afwezigheid van een echte kern. Ze zijn verdeeld in twee grote takken: echte bacteriën of eubacteriën en archaebacteriën.

Ze hebben bijna elke denkbare habitat gekoloniseerd, van water en bodem tot het interieur van andere organismen, inclusief de mens. Specifiek bewonen archaebacteriën gebieden met extreme temperaturen, zoutgehalte en pH.

Structuur

Gemiddelde prokaryote cel.

Het architecturale schema van een typische prokaryoot is zonder twijfel dat van Escherichia coli, een bacterie die normaal in ons maag-darmkanaal leeft.

De celvorm doet denken aan een staafje en is 1 um in diameter en 2 um lang. Prokaryoten zijn omgeven door een celwand die voornamelijk bestaat uit polysacchariden en peptiden.

De bacteriële celwand is een zeer belangrijk kenmerk en maakt, afhankelijk van de structuur, een classificatiesysteem in twee grote groepen mogelijk: grampositieve en gramnegatieve bacteriën.

Gevolgd door de celwand, vinden we een membraan (een gemeenschappelijk element tussen prokaryoten en eukaryoten) van lipide aard met een reeks prothetische elementen erin ingebed die het organisme van zijn omgeving scheidt.

DNA is een circulair molecuul dat zich in een specifiek gebied bevindt en geen enkel type membraan of scheiding met het cytoplasma heeft.

Het cytoplasma ziet er ruw uit en heeft ongeveer 3.000 ribosomen - structuren die verantwoordelijk zijn voor de eiwitsynthese.

Soorten prokaryoten

De huidige prokaryoten bestaan ​​uit een grote diversiteit aan bacteriën die zijn onderverdeeld in twee grote domeinen: Eubacteria en Archaebacteria. Volgens het bewijs lijken deze groepen zeer vroeg in de evolutie te zijn gedivergeerd.

Archaebacteriën zijn een groep prokaryoten die over het algemeen leven in omgevingen met ongebruikelijke omstandigheden, zoals temperaturen of een hoog zoutgehalte. Deze omstandigheden zijn tegenwoordig zeldzaam, maar waren mogelijk al vroeg op aarde.

Zo leven thermoacidofielen in gebieden waar de temperatuur maximaal 80 ° C en een pH van 2 bereikt.

Eubacteriën leven op hun beurt in een omgeving die wij mensen gemeen hebben. Ze kunnen in de bodem of in het water leven of in andere organismen leven - zoals bacteriën die deel uitmaken van ons spijsverteringskanaal.

Morfologie van prokaryoten

Bacteriën zijn er in een reeks zeer gevarieerde en heterogene morfologieën. Een van de meest voorkomende zijn de afgeronde kokosnoten. Deze kunnen individueel voorkomen, in paren, in een ketting, in tetrads, enz.

Sommige bacteriën lijken morfologisch op een staaf en worden bacillen genoemd. Net als kokosnoten zijn ze te vinden in verschillende arrangementen met meer dan één persoon. We vinden ook spiraalvormige spirocheten en spirocheten met een komma of korrelvorm die vibrios worden genoemd.

Elk van deze beschreven morfologieën kan variëren tussen verschillende soorten - de ene bacil kan bijvoorbeeld meer langwerpig zijn dan de andere of met meer afgeronde randen - en zijn nuttig bij het identificeren van de soort.

Reproductie

Ongeslachtelijke voortplanting

Reproductie bij bacteriën is aseksueel en vindt plaats door middel van binaire splitsing. In dit proces splitst het organisme zich letterlijk in tweeën, wat resulteert in klonen van het oorspronkelijke organisme. Hiervoor moeten voldoende middelen beschikbaar zijn.

Het proces is relatief eenvoudig: circulair DNA repliceert en vormt twee identieke dubbele helices. Later wordt het genetisch materiaal in het celmembraan ondergebracht en begint de cel te groeien, totdat deze in omvang verdubbelt. De cel deelt zich uiteindelijk en elk resulterend deel heeft een cirkelvormige DNA-kopie.

Bij sommige bacteriën kunnen de cellen het materiaal verdelen en groeien, maar ze delen zich niet volledig en vormen een soort ketting.

Aanvullende bronnen van genetische variabiliteit

Er zijn genuitwisselingsgebeurtenissen tussen bacteriën die genetische overdracht en recombinatie mogelijk maken, een proces dat lijkt op wat we kennen als seksuele reproductie. Deze mechanismen zijn conjugatie, transformatie en transductie.

Vervoeging bestaat uit de uitwisseling van genetisch materiaal tussen twee bacteriën via een structuur die lijkt op fijne haartjes, pili of fimbriae genaamd, die als een "brug" fungeert. In dit geval moet er een fysieke nabijheid zijn tussen beide individuen.

Transformatie omvat het nemen van naakte DNA-fragmenten die in de omgeving worden aangetroffen. Dat wil zeggen, in dit proces is de aanwezigheid van een tweede organisme niet nodig.

Ten slotte hebben we translatie, waarbij de bacterie het genetisch materiaal verwerft via een vector, bijvoorbeeld bacteriofagen (virussen die bacteriën infecteren).

Voeding

Bacteriën hebben stoffen nodig die hun overleving garanderen en die hen de energie geven die nodig is voor cellulaire processen. De cel neemt deze voedingsstoffen op door opname.

In algemene zin kunnen we voedingsstoffen classificeren als essentieel of basisch (water, koolstofbronnen en stikstofverbindingen), secundair (zoals sommige ionen: kalium en magnesium) en sporenelementen die nodig zijn in minimale concentraties (ijzer, kobalt).

Sommige bacteriën hebben specifieke groeifactoren nodig, zoals vitamines en aminozuren en stimulerende factoren die, hoewel niet essentieel, helpen bij het groeiproces.

De voedingsbehoeften van bacteriën lopen sterk uiteen, maar hun kennis is nodig om effectieve kweekmedia te kunnen bereiden om de groei van een interessant organisme te verzekeren.

Voeding categorieën

Bacteriën kunnen worden geclassificeerd op basis van de koolstofbron die ze gebruiken, organisch of anorganisch, en afhankelijk van de bron van energieproductie.

Volgens de koolstofbron hebben we twee groepen: de autotrofen of lithotrofen gebruiken kooldioxide en de heterotrofen of organotrofen die een organische koolstofbron nodig hebben.

In het geval van de energiebron hebben we ook twee categorieën: fototrofen die energie van de zon of stralingsenergie gebruiken, en chemotrofen die afhankelijk zijn van de energie van chemische reacties. Door beide categorieën te combineren, kunnen bacteriën worden ingedeeld in:

Photoautotrofen

Ze halen hun energie uit zonlicht - wat betekent dat ze fotosynthetisch actief zijn - en hun koolstofbron is kooldioxide.

Fotoheterotrofen

Ze kunnen stralingsenergie gebruiken voor hun ontwikkeling, maar ze zijn niet in staat kooldioxide op te nemen. Daarom gebruiken ze andere bronnen van koolstof, zoals alcoholen, vetzuren, organische zuren en koolhydraten.

Chemoautotrofen

Ze halen energie uit chemische reacties en zijn in staat kooldioxide op te nemen.

Chemoheterotrofen

Ze gebruiken energie uit chemische reacties en koolstof komt uit organische verbindingen, zoals glucose - de meest gebruikte - lipiden en ook eiwitten. Merk op dat de energiebron en de koolstofbron in beide gevallen hetzelfde zijn, daarom is het onderscheid tussen de twee moeilijk.

Over het algemeen behoren micro-organismen die als menselijke pathogenen worden beschouwd tot deze laatste categorie en gebruiken aminozuren en lipideverbindingen uit hun gastheren als koolstofbron.

Metabolisme

Metabolisme omvat alle complexe, door enzymen gekatalyseerde chemische reacties die plaatsvinden in een organisme, zodat het zich kan ontwikkelen en zich kan voortplanten.

Bij bacteriën verschillen deze reacties niet van de basisprocessen die plaatsvinden bij complexere organismen. In feite hebben we meerdere routes die worden gedeeld door beide geslachten van organismen, zoals glycolyse bijvoorbeeld.

Metabole reacties worden ingedeeld in twee grote groepen: biosynthese of anabole reacties, en afbraak- of katabole reacties, die optreden om chemische energie te verkrijgen.

Katabole reacties geven op een verspringende manier energie vrij die het lichaam gebruikt voor de biosynthese van zijn componenten.

Fundamentele verschillen met eukaryote cellen

Prokaryoten verschillen van prokaryoten voornamelijk door de structurele complexiteit van de cel en de processen die daarin plaatsvinden. Hieronder zullen we de belangrijkste verschillen tussen de twee lijnen beschrijven:

Grootte en complexiteit

Over het algemeen zijn prokaryote cellen kleiner dan eukaryote cellen. De eerste hebben diameters tussen 1 en 3 µm, in tegenstelling tot een eukaryote cel die 100 µm kan bereiken. Er zijn echter enkele uitzonderingen.

Hoewel prokaryote organismen eencellig zijn en we ze niet met het blote oog kunnen waarnemen (tenzij we bijvoorbeeld bacteriekolonies observeren), moeten we karakteristieken niet gebruiken om onderscheid te maken tussen beide groepen. In eukaryoten vinden we ook eencellige organismen.

In feite zijn een van de meest complexe cellen eencellige eukaryoten, omdat ze alle structuren moeten bevatten die nodig zijn voor hun ontwikkeling, opgesloten in een celmembraan. De geslachten Paramecium en Trypanosoma zijn hiervan opmerkelijke voorbeelden.

Aan de andere kant zijn er zeer complexe prokaryoten, zoals cyanobacteriën (een prokaryotische groep waar de evolutie van fotosynthetische reacties plaatsvond).

Kern

Het woord "prokaryoot" verwijst naar de afwezigheid van een kern (pro = voor; karyon = kern) terwijl eukaryoten een echte kern hebben (eu = waar). Deze twee groepen worden dus gescheiden door de aanwezigheid van dit belangrijke organel.

Bij prokaryoten wordt het genetisch materiaal verspreid in een specifiek gebied van de cel dat de nucleoïde wordt genoemd - en het is geen echte kern omdat het niet wordt begrensd door een lipidemembraan.

Eukaryoten hebben een gedefinieerde kern en zijn omgeven door een dubbel membraan. Deze structuur is buitengewoon complex en presenteert verschillende gebieden binnenin, zoals de nucleolus. Bovendien kan dit organel een interactie aangaan met de interne omgeving van de cel dankzij de aanwezigheid van nucleaire poriën.

Organisatie van genetisch materiaal

Prokaryoten bevatten 0,6 tot 5 miljoen basenparen in hun DNA en er wordt geschat dat ze kunnen coderen voor tot wel 5.000 verschillende eiwitten.

Prokaryote genen organiseren zichzelf in entiteiten die operons worden genoemd - zoals het bekende lactose-operon - terwijl eukaryote genen dat niet doen.

In genen kunnen we twee "regio's" onderscheiden: introns en exons. De eerste zijn delen die niet coderen voor het eiwit en die de coderende gebieden, exonen genaamd, onderbreken. Introns komen veel voor in eukaryote genen, maar niet in prokaryoten.

Prokaryoten zijn over het algemeen haploïde (een enkele genetische lading) en eukaryoten hebben zowel haploïde als polyploïde ladingen. Wij mensen zijn bijvoorbeeld diploïde. Evenzo hebben prokaryoten één chromosoom en eukaryoten meer dan één.

Verdichting van genetisch materiaal

Binnen de celkern vertonen eukaryoten een complexe DNA-organisatie. Een lange DNA-ketting (ongeveer twee meter lang) kan zo draaien dat deze in de kern kan worden geïntegreerd en tijdens de deelprocessen onder de microscoop in de vorm van chromosomen kan worden gevisualiseerd.

Dit DNA-verdichtingsproces omvat een reeks eiwitten die zich aan de streng kunnen binden en structuren kunnen vormen die lijken op een parelketting, waarbij de streng wordt voorgesteld door DNA en de kralen door parels. Deze eiwitten worden histonen genoemd.

Histonen zijn tijdens de evolutie op grote schaal geconserveerd gebleven. Met andere woorden, onze histonen lijken ongelooflijk veel op die van een muis, of gaan verder dan die van een insect. Structureel hebben ze een groot aantal positief geladen aminozuren die interageren met de negatieve ladingen van DNA.

In prokaryoten zijn bepaalde eiwitten gevonden die homoloog zijn aan histonen, die algemeen bekend staan ​​als histonenachtig. Deze eiwitten dragen bij aan de controle van genexpressie, recombinatie en DNA-replicatie en nemen, net als histonen in eukaryoten, deel aan de organisatie van de nucleoïde.

Organellen

In eukaryote cellen kan een reeks zeer complexe subcellulaire compartimenten worden geïdentificeerd die specifieke functies vervullen.

De meest relevante zijn de mitochondriën, die verantwoordelijk zijn voor de processen van cellulaire ademhaling en het genereren van ATP, en in planten vallen chloroplasten op, met hun driemembraan systeem en met de machinerie die nodig is voor fotosynthese.

Evenzo hebben we het Golgi-complex, glad en ruw endoplasmatisch reticulum, vacuolen, lysosomen, peroxisomen, onder anderen.

Ribosoom structuur

Ribosomen

Ribosomen bevatten de machinerie die nodig is voor eiwitsynthese, dus ze moeten aanwezig zijn in zowel eukaryoten als prokaryoten. Hoewel het voor beide een onmisbare structuur is, verschilt het voornamelijk in grootte.

Ribosomen bestaan ​​uit twee subeenheden: een grote en een kleine. Elke subeenheid wordt geïdentificeerd door een parameter die de sedimentatiecoëfficiënt wordt genoemd.

In prokaryoten is de grote subeenheid 50S en de kleine subeenheid 30S. De hele structuur heet de 70S. Ribosomen zijn verspreid over het cytoplasma, waar ze hun taken uitvoeren.

Eukaryoten hebben grotere ribosomen, de grote subeenheid is 60S, de kleine subeenheid is 40S en het hele ribosoom wordt aangeduid als 80S. Deze bevinden zich voornamelijk verankerd in het ruwe endoplasmatisch reticulum.

Cellulaire muur

De celwand is een essentieel element om osmotische stress het hoofd te bieden en dient als een beschermende barrière tegen mogelijke schade. Bijna alle prokaryoten en sommige groepen eukaryoten hebben een celwand. Het verschil zit hem in de chemische aard ervan.

De bacteriële wand bestaat uit peptidoglycaan, een polymeer dat bestaat uit twee structurele elementen: N-acetylglucosamine en N-acetylmuraminezuur, met elkaar verbonden door bindingen van het type β-1,4.

Binnen de eukaryote lijn komen ook muurcellen voor, voornamelijk in sommige schimmels en in alle planten. De meest voorkomende verbinding in de wand van schimmels is chitine en in planten is het cellulose, een polymeer dat uit veel glucose-eenheden bestaat.

Celdeling

Zoals eerder besproken, delen prokaryoten door binaire splitsing. Eukaryoten hebben een complex delingssysteem dat verschillende stadia van nucleaire deling omvat, ofwel mitose of meiose.

Fylogenie en classificatie

Over het algemeen zijn we gewend een soort te definiëren volgens het biologische concept dat door E. Mayr in 1989 werd voorgesteld: "groepen van natuurlijke populaties die onderling kruisen die reproductief geïsoleerd zijn van andere groepen".

Het is onmogelijk om dit concept op aseksuele soorten toe te passen, zoals het geval is bij prokaryoten. Daarom moet er een andere manier zijn om het concept van soorten te benaderen om deze organismen te classificeren.

Volgens Rosselló-Mora et al. (2011), past het fylo-fenetische concept goed bij deze lijn: "een monofyletische en genomisch coherente set van individuele organismen die een hoge mate van algemene gelijkenis vertonen in veel onafhankelijke kenmerken, en die kan worden gediagnosticeerd door een onderscheidende fenotypische eigenschap".

Voorheen werden alle prokaryoten in één "domein" ingedeeld, totdat Carl Woese suggereerde dat de levensboom drie hoofdtakken zou moeten hebben. Volgens deze classificatie omvatten prokaryoten twee domeinen: Archaea en Bacteria.

Binnen de bacteriën vinden we vijf groepen: proteobacteriën, chlamydia, cyanobacteriële spirocheten en grampositieve bacteriën. Evenzo hebben we vier hoofdgroepen van archaea: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard en DPANN Group.

Nieuwe inzichten

Een van de meest voorkomende concepten in de biologie is de eenvoud van het prokaryotische cytosol. Nieuw bewijs suggereert echter dat er een potentiële organisatie is in prokaryote cellen. Momenteel proberen wetenschappers het dogma van de afwezigheid van organellen, cytoskelet en andere kenmerken in deze eencellige lijn te doorbreken.

Organellen in prokaryoten

De auteurs van dit zeer nieuwe en controversiële voorstel verzekeren dat er niveaus van compartimentering zijn in eukaryote cellen, voornamelijk in structuren die worden begrensd door eiwitten en intracellulaire lipiden.

Volgens de verdedigers van dit idee is een organel een compartiment omgeven door een biologisch membraan met een specifieke biochemische functie. Onder deze "organellen" die aan deze definitie voldoen, hebben we onder andere lipidenlichamen, carboxy-somes, gasvacuoles.

Magnetosomen

Een van de meest fascinerende compartimenten van bacteriën zijn magnetosomen. Deze structuren zijn gerelateerd aan het vermogen van bepaalde bacteriën - zoals Magnetospirillum of Magnetococcus - om magnetische velden te gebruiken voor oriëntatie.

Structureel zijn ze een klein lichaam van 50 nanometer omgeven door een lipidemembraan, waarvan de binnenkant is samengesteld uit magnetische mineralen.

Fotosynthetische membranen

Bovendien hebben sommige prokaryoten "fotosynthetische membranen", de meest bestudeerde compartimenten in deze organismen.

Deze systemen werken om de efficiëntie van fotosynthese te maximaliseren, het aantal beschikbare fotosynthetische eiwitten te vergroten en het membraanoppervlak dat aan licht wordt blootgesteld te maximaliseren.

Compartimenten in

Het is niet mogelijk geweest om een ​​plausibel evolutionair pad te volgen van deze eerder genoemde compartimenten naar de zeer complexe organellen van eukaryoten.

Het geslacht Planctomycetes heeft echter een reeks compartimenten aan de binnenkant die doet denken aan organellen zelf en kan worden voorgesteld als de bacteriële voorouder van eukaryoten. In het geslacht Pirellula zijn er chromosomen en ribosomen omgeven door biologische membranen.

Onderdelen van het cytoskelet

Evenzo zijn er bepaalde eiwitten die historisch gezien uniek werden geacht voor eukaryoten, waaronder de essentiële filamenten die deel uitmaken van het cytoskelet: tubuline, actine en tussenliggende filamenten.

Recent onderzoek is erin geslaagd eiwitten te identificeren die homoloog zijn aan tubuline (FtsZ, BtuA, BtuB en anderen), aan actine (MreB en Mb1) en aan intermediaire filamenten (CfoA).

Referenties

1. Cooper, GM (2000). De cel: moleculaire benadering. Sinauer Associates.
2. Dorman, CJ en Deighan, P. (2003). Regulatie van genexpressie door histon-achtige eiwitten in bacteriën. Huidige mening in genetica en ontwikkeling, 13 (2), 179-184.
3. Guerrero, R., en Berlanga, M. (2007). De verborgen kant van de prokaryote cel: de microbiële wereld herontdekken. International Microbiology, 10 (3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Celbiologie van prokaryote organellen. Cold Spring Harbor-perspectieven in de biologie, a000422.
5. Rosselló-Mora, R., en Amann, R. (2001). Het soortconcept voor prokaryoten. FEMS-microbiologiebeoordelingen, 25 (1), 39-67.
6. Slesarev, AI, Belova, GI, Kozyavkin, SA en Lake, JA (1998). Bewijs voor een vroege prokaryote oorsprong van histonen H2A en H4 voorafgaand aan de opkomst van eukaryoten. Onderzoek naar nucleïnezuren, 26 (2), 427-430.
7. Souza, WD (2012). Prokaryote cellen: structurele organisatie van het cytoskelet en organellen. Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 107 (3), 283-293.