NộI Dung
- Khái niệm cơ bản về tế bào
- Một mồi tế bào vi khuẩn
- Thành tế bào vi khuẩn
- Flagella, Pili và Endospores
- Sinh sản vi khuẩn
Tế bào là đơn vị cơ bản của sự sống và như vậy là những yếu tố riêng biệt nhỏ nhất của các sinh vật sống giữ lại tất cả các tính chất quan trọng liên quan đến các sinh vật sống, bao gồm trao đổi chất, khả năng sinh sản và phương tiện duy trì cân bằng hóa học. Các tế bào là một trong hai prokaryotic, một thuật ngữ liên quan đến vi khuẩn và sự phân tán của các sinh vật đơn bào, hoặc sinh vật nhân chuẩn, trong đó đề cập đến thực vật, nấm và động vật.
Các tế bào vi khuẩn và tế bào nhân sơ khác đơn giản hơn rất nhiều về mọi mặt so với các tế bào nhân chuẩn của chúng. Tất cả các tế bào ở mức tối thiểu bao gồm màng sinh chất, tế bào chất và vật liệu di truyền ở dạng DNA. Trong khi các tế bào nhân chuẩn có nhiều yếu tố khác nhau ngoài những yếu tố cần thiết này, ba điều này chiếm gần như toàn bộ tế bào vi khuẩn. Tuy nhiên, các tế bào vi khuẩn bao gồm một số tính năng mà các tế bào nhân chuẩn không có, đặc biệt là một thành tế bào.
Khái niệm cơ bản về tế bào
Một sinh vật nhân chuẩn duy nhất có thể có hàng nghìn tỷ tế bào, mặc dù nấm men là đơn bào; mặt khác, tế bào vi khuẩn chỉ có một tế bào. Trong khi các tế bào nhân chuẩn bao gồm nhiều loại bào quan có màng, chẳng hạn như nhân, ty thể (ở động vật), lục lạp (thực vật trả lời ty thể), cơ thể Golgi, mạng lưới nội chất và lysosome, tế bào vi khuẩn không có bào quan. Cả sinh vật nhân chuẩn và sinh vật nhân sơ đều bao gồm ribosome, cấu trúc nhỏ bé chịu trách nhiệm tổng hợp protein, nhưng chúng thường dễ hình dung hơn ở sinh vật nhân chuẩn vì rất nhiều trong số chúng tập hợp dọc theo mạng lưới nội chất giống như ruy băng.
Thật dễ dàng để coi các tế bào vi khuẩn và bản thân vi khuẩn là "nguyên thủy" do cả tuổi tiến hóa lớn hơn của chúng (khoảng 3,5 tỷ năm, so với khoảng 1,5 tỷ đối với sinh vật nhân sơ) và sự đơn giản của chúng. Điều này, tuy nhiên, là sai lệch vì một số lý do. Một là, từ quan điểm sống còn của loài, phức tạp hơn không nhất thiết có nghĩa là mạnh mẽ hơn; rất có thể, vi khuẩn như một nhóm sẽ tồn tại lâu hơn con người và các sinh vật "cao hơn" khác một khi điều kiện trên Trái đất thay đổi đầy đủ. Một lý do thứ hai là các tế bào vi khuẩn, mặc dù đơn giản, đã phát triển một loạt các cơ chế sinh tồn mạnh mẽ mà sinh vật nhân chuẩn không có.
Một mồi tế bào vi khuẩn
Các tế bào vi khuẩn có ba hình dạng cơ bản: giống hình que (trực khuẩn), tròn (cocci) và hình xoắn ốc (spirilli). Những đặc điểm tế bào vi khuẩn hình thái này có thể có ích trong chẩn đoán các bệnh truyền nhiễm do vi khuẩn đã biết. Ví dụ: "viêm họng liên cầu khuẩn" là do các loài Liên cầu khuẩn, mà, như tên của nó, là tròn, như là Tụ cầu khuẩn. Bệnh than gây ra bởi một trực khuẩn lớn, và bệnh Lyme gây ra bởi một xoắn khuẩn, có hình xoắn ốc. Ngoài các hình dạng khác nhau của từng tế bào, các tế bào vi khuẩn có xu hướng được tìm thấy trong các cụm, cấu trúc của chúng thay đổi tùy thuộc vào loài được đề cập. Một số que và cocci phát triển thành chuỗi dài, trong khi một số cocci khác được tìm thấy trong các cụm gợi nhớ phần nào hình dạng của các tế bào riêng lẻ.
Hầu hết các tế bào vi khuẩn có thể, không giống như virus, sống độc lập với các sinh vật khác và không phụ thuộc vào các sinh vật sống khác cho nhu cầu trao đổi chất hoặc sinh sản. Ngoại lệ, tuy nhiên, tồn tại; một số loài Rickettsiae và Chlamydiae là bắt buộc nội bào, có nghĩa là chúng không có lựa chọn nào khác ngoài việc sống trong các tế bào của các sinh vật sống để tồn tại.
Các tế bào vi khuẩn thiếu nhân là lý do các tế bào prokaryote ban đầu được phân biệt với các tế bào nhân chuẩn, vì sự khác biệt này là rõ ràng ngay cả dưới kính hiển vi có công suất phóng đại tương đối thấp. DNA vi khuẩn, mặc dù không được bao quanh bởi màng nhân như của sinh vật nhân chuẩn, tuy nhiên có xu hướng tụ lại chặt chẽ, và sự hình thành thô ráp được gọi là nucleoid. Có rất ít DNA tổng thể trong các tế bào vi khuẩn so với các tế bào nhân chuẩn; nếu kéo dài từ đầu đến cuối, một bản sao duy nhất của vật liệu di truyền eukaryrote điển hình, hoặc chromatin, sẽ kéo dài đến khoảng 1 milimet, trong khi đó vi khuẩn sẽ kéo dài khoảng 1 đến 2 micromet - chênh lệch 500 đến 1.000 lần. Vật liệu di truyền của sinh vật nhân chuẩn bao gồm cả DNA và protein gọi là histones, trong khi DNA prokaryotic có một vài polyamines (hợp chất nitơ) và ion magiê liên kết với nó.
Thành tế bào vi khuẩn
Có lẽ sự khác biệt rõ ràng nhất về cấu trúc giữa các tế bào vi khuẩn và các tế bào khác là thực tế là vi khuẩn sở hữu thành tế bào. Những bức tường, làm từ peptidoglycan các phân tử, nằm ngay bên ngoài màng tế bào, mà các tế bào của tất cả các loại tính năng. Peptidoglycans bao gồm sự kết hợp của các loại đường polysacarit và các thành phần protein; công việc chính của họ là bổ sung sự bảo vệ và độ cứng cho vi khuẩn và cung cấp một điểm neo cho các cấu trúc như pili và Flagella, bắt nguồn từ màng tế bào và kéo dài qua thành tế bào ra môi trường bên ngoài.
Nếu bạn là một nhà vi trùng học hoạt động trong một thế kỷ đã qua và muốn tạo ra một loại thuốc gây nguy hiểm cho tế bào vi khuẩn trong khi hầu như vô hại đối với tế bào người và có kiến thức về cấu trúc tương ứng của các thành phần tế bào sinh vật này, bạn có thể thiết kế điều này bằng cách thiết kế hoặc tìm các chất độc hại cho thành tế bào trong khi bỏ qua các thành phần tế bào khác. Trên thực tế, đây chính xác là cách mà rất nhiều kháng sinh hoạt động: Chúng nhắm mục tiêu và tiêu diệt các thành tế bào vi khuẩn, kết quả là tiêu diệt vi khuẩn. Penicillin, xuất hiện vào đầu những năm 1940, là loại kháng sinh đầu tiên, hoạt động bằng cách ức chế sự tổng hợp peptidoglycans tạo nên thành tế bào của một số, nhưng không phải tất cả, vi khuẩn. Họ làm điều này bằng cách làm bất hoạt một enzyme xúc tác một quá trình gọi là liên kết chéo ở vi khuẩn nhạy cảm. Trong những năm qua, chính quyền kháng sinh đã lựa chọn vi khuẩn tình cờ sản xuất ra các chất gọi là beta-lactamase, nhắm vào các penicillin "xâm lấn". Do đó, một "cuộc chạy đua vũ trang" lâu dài và không bao giờ kết thúc vẫn có hiệu lực giữa kháng sinh và các mục tiêu gây bệnh nhỏ bé của chúng.
Flagella, Pili và Endospores
Một số vi khuẩn có cấu trúc bên ngoài hỗ trợ vi khuẩn trong việc điều hướng thế giới vật lý. Ví dụ, roi (số ít: flagellum) là những phần phụ giống như roi cung cấp phương tiện vận chuyển cho vi khuẩn sở hữu chúng, tương tự như nòng nọc. Đôi khi chúng được tìm thấy ở một đầu của tế bào vi khuẩn; một số vi khuẩn có chúng ở cả hai đầu. Flagella "đánh bại" giống như chân vịt, cho phép vi khuẩn "đuổi" các chất dinh dưỡng, "thoát" khỏi các hóa chất độc hại hoặc di chuyển về phía ánh sáng (một số vi khuẩn, được gọi là vi khuẩn lam, dựa vào quang hợp cho năng lượng như thực vật và do đó đòi hỏi phải tiếp xúc thường xuyên với ánh sáng).
Pili (số ít: pilus), có cấu trúc tương tự như Flagella, vì chúng là những hình chiếu giống như lông mọc ra từ bề mặt tế bào vi khuẩn. Chức năng của họ, tuy nhiên, là khác nhau. Thay vì hỗ trợ vận động, pili giúp vi khuẩn tự gắn vào các tế bào và bề mặt khác của các chế phẩm khác nhau, bao gồm đá, ruột và thậm chí là men răng của bạn. Nói cách khác, chúng cung cấp "độ dính" cho vi khuẩn theo cách lớp vỏ đặc trưng của chuồng ngựa cho phép các sinh vật này bám vào đá. Không có pili, nhiều vi khuẩn gây bệnh (tức là gây bệnh) không lây nhiễm, vì chúng không thể bám vào mô chủ. Một loại pili chuyên dụng được sử dụng cho một quá trình gọi là chia động từ, trong đó hai vi khuẩn trao đổi các phần của DNA.
Một cấu trúc khá độc hại của một số vi khuẩn nhất định là endospores. Bacillus và Clostridium các loài có thể tạo ra các bào tử này, là phiên bản chịu nhiệt cao, mất nước và không hoạt động của các tế bào vi khuẩn bình thường được tạo ra bên trong các tế bào. Chúng chứa bộ gen hoàn chỉnh của riêng mình và tất cả các enzyme chuyển hóa. Đặc điểm chính của endospore là lớp bào tử bảo vệ phức tạp của nó. Bệnh ngộ độc gây ra bởi một Clostridium botulinum endospore, tiết ra một chất gây chết người gọi là endotoxin.
Sinh sản vi khuẩn
Vi khuẩn tạo ra bởi một quá trình gọi là phân hạch nhị phân, có nghĩa đơn giản là phân tách một nửa và tạo ra một cặp tế bào giống nhau về mặt di truyền với tế bào cha. Hình thức sinh sản vô tính này trái ngược hoàn toàn với sinh sản của sinh vật nhân chuẩn, đó là tình dục ở chỗ nó liên quan đến hai sinh vật bố mẹ đóng góp một lượng vật chất di truyền tương đương để tạo ra con cái. Trong khi sinh sản hữu tính trên bề mặt có vẻ rườm rà - sau tất cả, tại sao lại giới thiệu bước tốn kém năng lượng này nếu các tế bào chỉ có thể tách làm đôi? - đó là một sự đảm bảo tuyệt đối về đa dạng di truyền, và loại đa dạng này là điều cần thiết cho sự sinh tồn của loài.
Hãy suy nghĩ về điều này: Nếu mỗi con người giống hệt nhau về mặt di truyền hoặc thậm chí gần gũi, đặc biệt là ở mức độ enzyme và protein mà bạn không thể thấy nhưng phục vụ các chức năng trao đổi chất quan trọng, thì một loại đối thủ sinh học duy nhất sẽ đủ khả năng quét sạch loài người . Bạn đã biết rằng con người khác nhau về tính nhạy cảm di truyền đối với một số thứ nhất định, từ chính (một số người có thể chết vì tiếp xúc với các chất gây dị ứng nhỏ, bao gồm cả đậu phộng và nọc ong) đến tương đối tầm thường (một số người không thể tiêu hóa được đường lactase, tạo ra họ không thể tiêu thụ các sản phẩm sữa mà không bị gián đoạn nghiêm trọng đến hệ thống tiêu hóa của họ). Một loài thích rất nhiều sự đa dạng di truyền phần lớn được bảo vệ khỏi sự tuyệt chủng, bởi vì sự đa dạng này cung cấp nguyên liệu thô mà áp lực chọn lọc tự nhiên thuận lợi có thể tác động. Nếu 10 phần trăm dân số của một loài nhất định có khả năng miễn dịch với một loại vi-rút nhất định mà loài này chưa gặp phải thì đây chỉ là một trò hề. Mặt khác, nếu virus xuất hiện trong quần thể này, có thể không lâu nữa, sự kiện này xảy ra 10% đại diện cho 100% sinh vật sống sót trong loài này.
Do đó, vi khuẩn đã phát triển một số phương pháp để đảm bảo sự đa dạng di truyền. Bao gồm các biến đổi, chia động từ và tải nạp. Không phải tất cả các tế bào vi khuẩn có thể sử dụng tất cả các quá trình này, nhưng giữa chúng, chúng cho phép tất cả các loài vi khuẩn sống sót đến một mức độ lớn hơn nhiều so với cách khác.
Biến đổi là quá trình lấy DNA từ môi trường, và nó được chia thành các dạng tự nhiên và nhân tạo. Trong quá trình biến đổi tự nhiên, DNA từ vi khuẩn chết được nội hóa qua màng tế bào, theo kiểu quét và được tích hợp vào DNA của vi khuẩn còn sống. Trong biến đổi nhân tạo, các nhà khoa học cố tình đưa DNA vào vi khuẩn chủ, thường E coli (bởi vì loài này có bộ gen nhỏ, đơn giản, dễ thao tác) để nghiên cứu các sinh vật này hoặc tạo ra một sản phẩm vi khuẩn mong muốn. Thông thường, DNA được giới thiệu là từ một plasmid, một vòng tự nhiên của DNA vi khuẩn.
Sự kết hợp là quá trình một vi khuẩn sử dụng pilus hoặc pili để "tiêm" DNA vào vi khuẩn thứ hai thông qua tiếp xúc trực tiếp. DNA được truyền có thể, như với sự biến đổi nhân tạo, là một plasmid hoặc nó có thể là một đoạn khác nhau. DNA mới được giới thiệu có thể bao gồm một gen quan trọng mã hóa cho protein cho phép kháng kháng sinh.
Cuối cùng, sự tải nạp phụ thuộc vào sự hiện diện của một loại virus xâm nhập được gọi là vi khuẩn. Virus dựa vào các tế bào sống để nhân lên bởi vì, mặc dù chúng sở hữu vật liệu di truyền, chúng thiếu máy móc để tạo ra các bản sao của nó. Những vi khuẩn này đặt vật liệu di truyền của riêng chúng vào DNA của vi khuẩn mà chúng xâm nhập và hướng vi khuẩn tạo ra nhiều phage, bộ gen sau đó chứa hỗn hợp DNA vi khuẩn ban đầu và DNA của vi khuẩn. Khi những vi khuẩn mới này rời khỏi tế bào, chúng có thể xâm nhập các vi khuẩn khác và truyền DNA thu được từ vật chủ trước đó vào tế bào vi khuẩn mới.