خلية بدائية النواة: الخصائص ، التركيب الخلوي ، الأنواع

الخلايا بدائية النواة هي هياكل بسيطة وبدون نواة محددة بواسطة غشاء بلازما. الكائنات الحية المرتبطة بهذا النوع من الخلايا أحادية الخلية ، على الرغم من إمكانية تجميعها وتشكيل هياكل ثانوية ، مثل السلاسل.

من بين مجالات الحياة الثلاثة التي اقترحها كارل وويس ، تتوافق بدائيات النوى مع البكتيريا والأركايا. المجال الباقي ، Eucarya ، يتكون من خلايا حقيقية النواة ، أكبر ، معقدة ومع نواة محددة.

يعد التمييز بين الخلية حقيقية النواة والخلية بدائية النواة أحد أهم الانقسامات في العلوم البيولوجية. تاريخيا ، يعتبر الكائن بدائية النواة بسيطًا ، بدون تنظيم داخلي ، بدون عضيات ويفتقر إلى هيكل خلوي. ومع ذلك ، هناك أدلة جديدة تدمر هذه النماذج.

على سبيل المثال ، تم تحديد الهياكل في بدائيات النوى والتي يمكن اعتبارها عضيات. وبالمثل ، تم العثور على البروتينات المتماثلة لبروتينات حقيقيات النواة التي تشكل الهيكل الخلوي.

تتنوع بدائيات النوى جدا في التغذية. يمكنهم استخدام الضوء من الشمس والطاقة الموجودة في الروابط الكيميائية كمصدر للطاقة. يمكنهم أيضًا استخدام مصادر مختلفة للكربون ، مثل ثاني أكسيد الكربون ، والجلوكوز ، والأحماض الأمينية ، والبروتينات ، وغيرها.

تنقسم بدائيات النوى على أساس نوعي من الانشطار الثنائي. في هذه العملية ، يقوم الكائن بتكرار الحمض النووي الدائرية ، ويزيد حجمه ويقسمه أخيرًا إلى خليتين متطابقتين.

ومع ذلك ، هناك آليات لتبادل المواد الجينية التي تولد التباين في البكتيريا ، مثل التحول ، الاقتران والتحول.

الخصائص العامة

بدائيات النوى هي كائنات أحادية الخلية بسيطة نسبيا. السمة الأكثر تميزا التي تحدد هذه المجموعة هو عدم وجود نواة حقيقية. وهي مقسمة إلى فرعين كبيرين: البكتيريا الحقيقية أو البكتيريا والبكتيريا.

لقد استعمرت تقريبا كل موائل يمكن تصوره ، من الماء والتربة إلى داخل الكائنات الحية الأخرى ، بما في ذلك الكائن البشري. على وجه التحديد ، تسكن البكتيريا الأثرية المناطق ذات درجات الحرارة والملوحة ودرجة الحموضة القصوى.

هيكل

إن المخطط المعماري لبروكاريوت نموذجي هو ، بدون شك ، مخطط لبكتريا Escherichia coli ، وهي بكتيريا تعيش عادة في الجهاز الهضمي.

يشبه شكل الخلية قصبة ويبلغ قطرها 1 أم وطولها 2 أم. يحيط بدائيات النواة جدار خلوي يتكون أساسًا من السكريات والببتيدات.

يعد جدار الخلية البكتيرية ميزة مهمة جدًا ، ووفقًا للهيكل ، فإنه يسمح بإنشاء نظام تصنيف في مجموعتين كبيرتين: الجراثيم الموجبة والسالبة للجرام.

بعد جدار الخلية ، نجد غشاءًا (عنصرًا مشتركًا بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى) ذو طبيعة دهنية بسلسلة من العناصر التعويضية المضمنة فيه والتي تفصل الكائن الحي عن بيئته.

الحمض النووي هو جزيء دائري يقع في منطقة معينة لا يوجد لديه أي نوع من الغشاء أو الانفصال مع السيتوبلازم.

يعرض السيتوبلازم مظهرًا تقريبيًا ويمتلك حوالي 3 آلاف ريبوزوم - هياكل مسؤولة عن تخليق البروتينات.

أنواع بدائيات النوى

تتكون بدائيات النوى الحالية من مجموعة واسعة من البكتيريا التي تنقسم إلى مجالين رئيسيين: Eubacteria و Archaebacteria. وفقًا للأدلة ، يبدو أن هذه المجموعات قد تباعدت في مرحلة مبكرة جدًا من التطور.

Archaebacteria هي مجموعة من بدائيات النوى التي تعيش بشكل عام في البيئات التي تكون ظروفها غير عادية ، مثل درجات الحرارة أو الملوحة العالية. هذه الحالات نادرة هذه الأيام ، لكنها قد تكون سائدة في الأرض البدائية.

على سبيل المثال ، تعيش المحولات الحرارية في المناطق التي تصل درجة الحرارة فيها إلى 80 درجة مئوية كحد أقصى ودرجة الحموضة 2.

البكتيريا ، من ناحية أخرى ، تعيش في بيئة مشتركة لنا نحن البشر. يمكنها أن تسكن التربة أو الماء أو تعيش في كائنات أخرى - مثل البكتيريا التي تشكل جزءًا من الجهاز الهضمي.

مورفولوجيا بدائيات النوى

تأتي البكتريا في سلسلة من الأشكال المورفولوجية المتنوعة وغير المتجانسة. من بين الأكثر شيوعًا لدينا الأوجه الدائرية التي تسمى جوز الهند. يمكن تقديمها بشكل فردي ، في أزواج ، في سلسلة ، في tetrads ، إلخ.

بعض البكتيريا تشبه شكليا قصب وتسمى عصيات. كما يمكن العثور على جوز الهند في ترتيبات مختلفة مع أكثر من فرد. نجد أيضًا spirochetes على شكل حلزوني وتلك التي لها شكل غيبوبة أو حبوب تسمى vibrios.

كل من هذه المورفولوجيات الموصوفة يمكن أن تختلف بين الأنواع المختلفة - على سبيل المثال ، يمكن أن تكون إحدى العصيّات أكثر استطالة من الأخرى أو مع حواف مستديرة أكثر - وتكون مفيدة عند تحديد الأنواع.

استنساخ

التكاثر اللاجنسي

التكاثر في البكتيريا غير جنسي ويحدث من خلال الانشطار الثنائي. في هذه العملية ، ينقسم الكائن الحي حرفيًا إلى قسمين ، مما يؤدي إلى استنساخ الكائن الحي الأولي. لكي يحدث هذا ، يجب أن تتوفر موارد كافية.

العملية بسيطة نسبيًا: الحمض النووي الدائري يتكرر ، مكونًا حلزوني مزدوج متطابقين. بعد ذلك يتم استيعاب المادة الوراثية في غشاء الخلية وتبدأ الخلية في النمو حتى تضاعف حجمها. تنقسم الخلية أخيرًا ويمتلك كل جزء ناتج نسخة من الدنا DNA.

في بعض البكتيريا ، يمكن للخلايا أن تقسم المواد وتنمو ، لكنها لا تنقسم على الإطلاق وتشكل نوعًا من السلسلة.

مصادر إضافية للتغيرات الوراثية

هناك أحداث تبادل الجينات بين البكتيريا التي تسمح بالانتقال الوراثي وإعادة التركيب ، وهي عملية مشابهة لما نعرفه باسم التكاثر الجنسي. هذه الآليات هي الاقتران والتحول والتحول.

يتكون الاقتران من تبادل المواد الجينية بين بكترين عن طريق بنية مشابهة لشعر ناعم يسمى pili أو fimbrias ، والذي يعمل بمثابة "جسر". في هذه الحالة ، يجب أن يكون هناك تقارب مادي بين الأفراد.

التحول ينطوي على أخذ شظايا من الحمض النووي عارية وجدت في البيئة. هذا هو ، في هذه العملية وجود كائن ثان ليس ضروريا.

أخيرًا ، لدينا الترجمة ، حيث تكتسب البكتيريا المادة الوراثية عن طريق ناقل ، على سبيل المثال البكتيريا (الفيروسات التي تصيب البكتيريا).

تغذية

تحتاج البكتيريا إلى مواد تضمن بقائها وتوفر لها الطاقة اللازمة للعمليات الخلوية. سوف تأخذ الخلية هذه العناصر الغذائية عن طريق الامتصاص.

بشكل عام ، يمكننا تصنيف العناصر الغذائية على أنها أساسية أو أساسية (الماء ومصادر الكربون والمركبات النيتروجينية) ، والثانوية (مثل بعض الأيونات: البوتاسيوم والمغنيسيوم) والعناصر النزرة اللازمة في الحد الأدنى من التركيزات (الحديد والكوبالت).

تحتاج بعض البكتيريا إلى عوامل نمو محددة ، مثل الفيتامينات والأحماض الأمينية وعوامل محفزة تساعد ، على الرغم من أنها ليست ضرورية ، في عملية النمو.

تختلف المتطلبات الغذائية للبكتيريا على نطاق واسع ، ولكن معرفتهم ضرورية لتكون قادرة على إعداد وسائل الإعلام ثقافة فعالة التي تضمن نمو كائن حي المصالح.

الفئات الغذائية

يمكن تصنيف البكتيريا وفقًا لمصدر الكربون الذي تستخدمه ، إما عضويًا أو غير عضويًا واعتمادًا على مصدر إنتاج الطاقة.

وفقًا لمصدر الكربون ، لدينا مجموعتان: تستخدم autotrophs أو lithotrophs ثاني أكسيد الكربون و heterotrophs أو biotrophs التي تتطلب مصدرًا عضويًا للكربون.

في حالة مصدر الطاقة ، لدينا أيضًا فئتان: الصور الضوئية التي تستخدم الطاقة القادمة من الشمس أو الطاقة الإشعاعية والكيمياء العضوية التي تعتمد على طاقة التفاعلات الكيميائية. وبالتالي ، من خلال الجمع بين كلا الفئتين ، يمكن تصنيف البكتيريا إلى:

ذاتي التغذي الضوئي

يتم الحصول على الطاقة من أشعة الشمس - مما يعني أنها نشطة ضوئيًا - ومصدر الكربون هو ثاني أكسيد الكربون.

كائن ضوئي غيري التغذية

إنهم قادرون على استخدام الطاقة المشعة لتطويرها ولكنهم غير قادرين على دمج ثاني أكسيد الكربون. لذلك ، يستخدمون مصادر أخرى للكربون ، مثل الكحول والأحماض الدهنية والأحماض العضوية والكربوهيدرات.

chemoautotrophs

يتم الحصول على الطاقة من التفاعلات الكيميائية ، وأنها قادرة على دمج ثاني أكسيد الكربون.

chemoheterotrophs

يستخدمون الطاقة الناتجة من التفاعلات الكيميائية والكربون يأتي من المركبات العضوية ، مثل الجلوكوز - وهو الأكثر استخدامًا - وكذلك البروتينات. لاحظ أن مصدر الطاقة ومصدر الكربون هو نفسه في كلتا الحالتين ، وبالتالي فإن التمييز بين الاثنين أمر صعب.

بشكل عام ، الكائنات الحية الدقيقة التي تعتبر مسببات الأمراض للإنسان تنتمي إلى هذه الفئة الأخيرة وتستخدم كمصدر للكربون الأحماض الأمينية ومركبات الدهون في مضيفيها.

الأيض

يشمل التمثيل الغذائي جميع التفاعلات الكيميائية المعقدة التي تحفزها الإنزيمات التي تحدث داخل الكائن الحي بحيث يمكن أن تتطور وتتكاثر.

في البكتيريا ، لا تختلف هذه التفاعلات عن العمليات الأساسية التي تحدث في الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا. في الواقع ، لدينا طرق متعددة يشاركها كلا سلالات الكائنات الحية ، مثل تحلل السكر على سبيل المثال.

تصنف تفاعلات الأيض إلى مجموعتين رئيسيتين: التخليق الحيوي أو التفاعلات الابتنائية ، والتدهور أو تفاعلات الهدم ، والتي تحدث لتحقيق إنتاج الطاقة الكيميائية.

تطلق التفاعلات التقويضية بطريقة متداخلة من الطاقة التي يستخدمها الكائن الحي في التخليق الحيوي لمكوناته.

الاختلافات الأساسية مع خلايا حقيقية النواة

تختلف بدائيات النوى عن بدائيات النوى في التعقيد الهيكلي للخلية وفي العمليات التي تحدث داخلها. بعد ذلك سنصف الاختلافات الرئيسية بين كلا السلالتين:

الحجم والتعقيد

عمومًا ، تكون الخلايا بدائية النواة أصغر من حقيقيات النوى. السابق بأقطار تتراوح بين 1 و 3 ميكرون ، على النقيض من خلية حقيقية النواة التي يمكن أن تصل إلى 100 ميكرون. ومع ذلك ، هناك بعض الاستثناءات.

على الرغم من أن الكائنات بدائية النواة أحادية الخلية ولا يمكننا ملاحظتها بالعين المجردة (ما لم نلاحظ المستعمرات البكتيرية ، على سبيل المثال) ، يجب ألا نستخدم خاصية التمييز بين المجموعتين. في حقيقيات النواة نجد أيضًا كائنات أحادية الخلية.

في الواقع ، واحدة من أكثر الخلايا تعقيدًا هي حقيقيات النوى أحادية الخلية ، حيث يجب أن تحتوي على جميع الهياكل اللازمة لتنميتها المحصورة في الغشاء الخلوي. الأجناس Paramecium و Trypanosoma من الأمثلة البارزة على ذلك.

من ناحية أخرى ، هناك بدائيات النوى شديدة التعقيد ، مثل البكتيريا الزرقاء (مجموعة بدائية النواة حيث نشأت تفاعلات التمثيل الضوئي).

جوهر

تشير كلمة "بدائيات النوى" إلى عدم وجود نواة ( pro = before؛ karyon = nucleus) في حين أن حقيقيات النوى لها نواة حقيقية ( eu = true). وهكذا ، يتم فصل هاتين المجموعتين من خلال وجود هذا العضوي المهم.

في بدائيات النوى ، يتم توزيع المادة الوراثية في منطقة معينة من الخلية تسمى النيوكليويد - وهي ليست نواة حقيقية لأنها غير مرتبطة بغشاء شحمي.

النواة لها نواة محددة وتحيط بها غشاء مزدوج. هذا الهيكل معقد للغاية ، ويقدم مناطق مختلفة داخل مثل النواة على سبيل المثال. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لهذه الخلية العضوية أن تتفاعل مع البيئة الداخلية للخلية بفضل وجود المسام النووية.

تنظيم المواد الوراثية

تحتوي بدائيات النوى على ما يتراوح بين 0.6 و 5 ملايين زوج أساسي في الحمض النووي الخاص بهم ويقدر أنه يمكنهم تشفير ما يصل إلى 5000 بروتينات مختلفة.

يتم تنظيم الجينات بدائيات النواة في كيانات تدعى الأوبرون - مثل اللاكتوز الأوبرون المشهور - في حين أن الجينات حقيقية النواة لا تفعل ذلك.

في الجينات ، يمكننا التمييز بين "منطقتين": الإنترونات والإكسونات. الأول هو الأجزاء التي لا ترمز للبروتين والتي تعطل مناطق الترميز ، وتسمى exons. الإنترونات شائعة في جينات حقيقية النواة ولكن ليس في بدائيات النوى.

تكون بدائيات النوى بشكل عام أحادي الصبغة (حمولة وراثية واحدة) وتحمل حقيقيات النوى حمولات أحادية الصبغيات وكلاهما متعدد الأحبال. على سبيل المثال ، نحن البشر هم diploids. وبالمثل ، تحتوي بدائيات النوى على كروموسوم واحد ونواة حقيقية النواة أكثر من واحدة.

ضغط المواد الوراثية

داخل نواة الخلية ، تظهر حقيقيات النوى منظمة معقدة من الحمض النووي. يمكن لسلسلة الحمض النووي الطويلة (بطول مترين تقريبًا) أن تلتف بطريقة يمكن دمجها في النواة ، وخلال عملية التقسيم ، يمكن تصورها تحت المجهر كروموسومات.

تتضمن عملية ضغط الحمض النووي (DNA) سلسلة من البروتينات القادرة على الارتباط بالشريط وتشكيل هياكل تشبه قلادة اللؤلؤ ، حيث يتم تمثيل الخيط بواسطة الحمض النووي والخرز بواسطة اللؤلؤ. وتسمى هذه البروتينات هيستون.

تم الحفاظ على هيستون على نطاق واسع طوال التطور. هذا هو ، هيستون لدينا هي مشابهة بشكل لا يصدق لتلك التي الماوس ، أو للذهاب أبعد من ذلك من حشرة. من الناحية الهيكلية ، لديهم عدد كبير من الأحماض الأمينية الموجبة الشحنة التي تتفاعل مع الشحنات السلبية للحمض النووي.

في بدائيات النوى ، تم العثور على بروتينات معينة متماثلة مع الهيستونات ، والتي تعرف عمومًا باسم الهستونات . تساهم هذه البروتينات في التحكم في تعبير الجينات وإعادة تركيب الحمض النووي وتكرارها ، ومثل هيستون في حقيقيات النوى ، تشارك في التنظيم النووي.

العضيات

في خلايا حقيقية النواة ، يمكن التعرف على سلسلة من الأجزاء المعقدة للغاية الخلوية التي تؤدي وظائف محددة.

الأكثر أهمية هي الميتوكوندريا ، المسؤولة عن عمليات التنفس الخلوية وتوليد ATP ، وتبرز البلاستيدات الخضراء في النباتات ، مع نظام الغشاء الثلاثي والآلية اللازمة لعملية التمثيل الضوئي.

أيضا ، لدينا مجمع Golgi ، شبكية اندوبلازمية ناعمة وخشنة ، فجوات ، ليسوسومات ، بيروكسيسومات ، وغيرها.

هيكل الريبوسوم

يتكون الريبوسومات من الآلات اللازمة لتخليق البروتينات ، لذلك يجب أن تكون موجودة في كل من حقيقيات النوى وبدائيات النوى. على الرغم من أنه هيكل لا غنى عنه لكليهما ، إلا أنه يختلف في الغالب في الحجم.

تتكون الريبوسومات من وحدتين فرعيتين: واحدة كبيرة وواحدة صغيرة. يتم تحديد كل وحدة فرعية بواسطة معلمة تسمى معامل الترسيب.

في بدائيات النوى ، الوحدة الفرعية الكبيرة هي 50 ثانية والوحدة الفرعية الصغيرة هي 30 ثانية. الهيكل الكامل يسمى 70S. تنتشر الريبوسومات في السيتوبلازم ، حيث يؤدون مهامهم.

تحتوي حقيقيات النوى على ريبوسومات أكبر ، والوحدة الفرعية الكبيرة هي 60S ، والصغيرة هي 40S ، والريبوسوم بأكمله مُخصص بقيمة 80S. وتقع هذه الراسية أساسا في الشبكة الإندوبلازمية الخام.

جدار الخلية

جدار الخلية هو عنصر أساسي للتعامل مع الضغط الاسموزي ويعمل كحاجز واقي ضد أي ضرر محتمل. تقريبا جميع بدائيات النوى وبعض مجموعات حقيقيات النوى لها جدار خلية. الفرق يكمن في الطبيعة الكيميائية لذلك.

يتكون الجدار البكتيري من ببتيدوغليكان ، وهو بوليمر يتكون من عنصرين هيكليين: N- أسيتيل الجلوكوزامين وحمض N-acetyluramic ، مرتبطان معاً بواسطة روابط نوع β-1،4.

داخل السلالة حقيقية النواة توجد أيضًا خلايا ذات جدران ، خاصة في بعض الفطريات وفي جميع النباتات. المركب الأكثر وفرة في جدار الفطريات هو الكيتين وفي النباتات هو السليلوز ، وهو بوليمر يتكون من العديد من وحدات الجلوكوز.

انقسام الخلايا

كما نوقش أعلاه ، يتم تقسيم بدائيات النوى عن طريق الانشطار الثنائي. تحتوي حقيقيات النوى على نظام تقسيم معقد يحتوي على مراحل مختلفة من الانقسام النووي ، سواء كان الانقسام أو الانقسام الاختزالي.

التطابق والتصنيف

لقد اعتدنا بشكل عام على تحديد نوع ما وفقًا للمفهوم البيولوجي الذي اقترحه إ. ماير في عام 1989: "مجموعات من التجمعات الطبيعية المتقاطعة المنعزلة عن مجموعات أخرى".

من المستحيل تطبيق هذا المفهوم على الأنواع غير الجنسية ، كما هو الحال في بدائيات النوى. لذلك ، يجب أن يكون هناك طريقة أخرى للتعامل مع مفهوم الأنواع من أجل تصنيف هذه الكائنات.

وفقا لروسيلو مورا وآخرون. (2011) ، يتلاءم مفهوم فينيل الفينيقي بشكل جيد مع هذه السلالة: "مجموعة أحادية اللون ومتماسكة جينياً من الكائنات الفردية التي تظهر درجة عالية من التشابه العام في العديد من الخصائص المستقلة ، ويمكن تشخيصها بواسطة خاصية المظهرية التمييزية".

في السابق ، تم تصنيف جميع بدائيات النوى في "مجال" واحد ، حتى اقترح كارل وويس أن يكون لشجرة الحياة ثلاثة فروع رئيسية. بعد هذا التصنيف ، تشتمل بدائيات النوى على مجالين: الأركيا والبكتيريا.

في داخل البكتيريا نجد خمس مجموعات: البكتيريا البروتينية ، الكلاميديا ​​، البكتيريا الزرقاء السانوية والبكتيريا إيجابية الجرام. وبالمثل ، لدينا أربع مجموعات رئيسية من archaea: Euryarchaeota ، Grupo TACK ، Asgard و Grupo DPANN.

وجهات نظر جديدة

واحدة من أكثر المفاهيم انتشارا في علم الأحياء هي بساطة السيتوسول بدائية النواة. ومع ذلك ، تشير أدلة جديدة إلى وجود تنظيم محتمل في الخلايا بدائية النواة. يحاول العلماء حاليًا تحطيم عقيدة غياب العضيات والهيكل الخلوي وغيرها من الخصائص في هذه السلالة أحادية الخلية.

العضيات في بدائيات النوى

يؤكد مؤلفو هذا الاقتراح الجديد والمثير للجدل أن هناك مستويات من التقسيم في خلايا حقيقية النواة ، وخاصة في الهياكل المحددة بواسطة البروتينات والدهون داخل الخلايا.

وفقًا للمدافعين عن هذه الفكرة ، فإن العضية عبارة عن مقصورة محاطة بغشاء بيولوجي مع وظيفة كيميائية حيوية محددة. من بين هذه "العضيات" التي تتوافق مع هذا التعريف ، لدينا الأجسام الدهنية ، الكربوكسيسومات ، فجوات الغاز ، وغيرها.

magnetosomes

واحدة من أكثر الأجزاء الرائعة من البكتيريا هي المغنطيسات. ترتبط هذه البُنى بقدرة بعض البكتيريا - مثل المغنطيسية والمغناطيسية - على استخدام الحقول المغناطيسية للتوجيه.

هيكليا هم جسم صغير من 50 نانومتر محاطة بغشاء الدهون ، الذي يتكون من المعادن المغناطيسية الداخلية.

أغشية التمثيل الضوئي

بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي بعض بدائيات النوى على "أغشية التمثيل الضوئي" ، وهي الأجزاء الأكثر درسًا في هذه الكائنات.

تعمل هذه الأنظمة على زيادة كفاءة التمثيل الضوئي ، وزيادة عدد البروتين الضوئي المتاح وزيادة سطح الغشاء الذي يتعرض للضوء.

المقصورات في Planctomycetes

لم يكن من الممكن تتبع مسار تطوري معقول من هذه الأجزاء المذكورة أعلاه إلى العضيات شديدة التعقيد حقيقية النواة.

ومع ذلك ، فإن جنس Planctomycetes يحتوي على سلسلة من الأجزاء الداخلية التي تذكر العضيات نفسها ويمكن اقتراحها كسلاف بكتيريا حقيقيات النوى. يوجد في جنس Pirellula الكروموسومات والريبوسومات محاطة بالأغشية البيولوجية.

مكونات الهيكل الخلوي

وبالمثل ، هناك بعض البروتينات التي كانت تعتبر تاريخيا فريدة من نوعها حقيقية النواة ، بما في ذلك الخيوط الأساسية التي هي جزء من الهيكل الخلوي: توبولين ، أكتين وخيوط وسيطة.

نجحت التحقيقات الحديثة في تحديد البروتينات المتجانسة للتوبولين (FtsZ ، BtuA ، BtuB وغيرها) ، إلى الأكتين (MreB و Mb1) وللخيوط الوسيطة (CfoA).