پروکاریوت چیست؟ — به زبان ساده + تعریف و مثال

پروکاریوت ها موجودات تک‌سلولی هستند که هسته یا اندامک‌های متصل به غشاء در داخل خود ندارند. خود نام پروکاریوت در واقع به شما این امکان را می‌دهد که بدانید هسته‌ای وجود ندارد، زیرا «پرو» به معنای «قبل» است و «کاریو» به «هسته» اشاره دارد. در این مطلب به طور کامل به تعریف پروکاریوت و ساختار سلول پروکاریوتی و اجزای آن، انواع پروکاریوت‌ها و ویژگی‌های آن‌ها می‌پردازیم.

پروکاریوت چیست؟

پروکاریوت به هر کدام ارگانیسم‌هایی گفته می‌شود که عمدتاً با فقدان هسته واقعی و سایر بخش‌های سلولی متصل به غشاء به نام اندامک‌های سلولی مشخص می‌شوند. به جای هسته، پروکاریوت‌ها دارای ناحیه نوکلوئیدی هستند که مواد ژنتیکی در آن قرار دارند. پروکاریوت‌ها موجودات تک‌سلولی بوده که ابتدایی‌ترین اشکال حیات روی زمین هستند. سلول‌های پروکاریوتی بسیار کوچک‌تر از سلول‌های یوکاریوتی هستند، هسته ندارند و فاقد اندامک هستند. تمام سلول‌های پروکاریوتی توسط دیواره سلولی محصور شده‌اند. بسیاری نیز دارای لایه کپسول یا لجن ساخته شده از پلی‌ساکارید هستند.

پروکاریوت‌ها اغلب زائده‌هایی (به صورت برآمدگی) روی سطح خود دارند. تاژک و برخی از پیلی‌ها برای حرکت استفاده می‌شوند، فیمبریا به چسبیدن سلول به سطح کمک می‌کند و پیلی جنسی برای تبادل DNA استفاده می‌شود. اکثر سلول‌های پروکاریوتی دارای کروموزوم دایره‌ای واحد هستند. آن‌ها همچنین ممکن است قطعات کوچک‌تری از DNA دایره‌ای به نام پلاسمید داشته باشند.

تاریخچه و تکامل پروکاریوت ها

تمایز بین پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها توسط میکروبیولوژیست‌ها راجر استانیر و سی بی ون نیل در مقاله آن‌ها در سال 1962 با عنوان «مفهوم باکتری» مشخص شد. یکی از دلایل این طبقه‌بندی این بود که آنچه که در آن زمان اغلب جلبک سبزآبی نامیده می‌شد (که اکنون سیانوباکتری نامیده می‌شود) به عنوان گیاه طبقه‌بندی نمی‌شود بلکه با باکتری‌ها گروه‌بندی می‌شود.

به طور کلی پذیرفته شده است که اولین سلول‌های زنده نوعی پروکاریوت بودند. پروکاریوت‌های فسیل شده با قدمت سه و نیم میلیارد سال کشف شده‌اند و این موجودات شاید موفق‌ترین و فراوان‌ترین موجود زنده تا به امروز هستند. در مقابل، یوکاریوت تقریباً یک و نیم میلیارد سال پیش ظاهر شد. در حالی که زمین تنها مکان شناخته شده‌ای است که در آن پروکاریوت‌ها وجود دارند، برخی پیشنهاد کرده‌اند که ساختارهای درون یک شهاب‌سنگ مریخی باید به عنوان پروکاریوت‌های فسیلی تفسیر شوند، اما این مسئله بسیار مشکوک است.

پروکاریوت‌ها در طول عمر طولانی خود تنوع زیادی داشتند. متابولیسم پروکاریوت‌ها بسیار متنوع‌تر از یوکاریوت‌ها است که منجر به بسیاری از انواع بسیار متمایز از پروکاریوت‌ها می‌شود. به عنوان مثال، علاوه بر استفاده از فتوسنتز یا شکل آلی کربن برای انرژی مانند یوکاریوت‌ها، برخی از پروکاریوت‌ها ممکن است از مواد شیمیایی معدنی مانند سولفید هیدروژن انرژی دریافت کنند. این امر به پروکاریوت‌ها امکان رشد و تولید مثل را می‌دهد. امروزه، باکتری‌ها را می‌توان در سرمای قطب جنوب و در چشمه‌های داغ یافت، این در حالی است که آرکئاها را می‌توان در محیط‌های بالای 100 درجه سانتی‌گراد یا در آب بسیار شور، اسیدی یا قلیایی یافت.

نظریه درون همزیستی چیست؟

به طور کلی این‌گونه در نظر گرفته می‌شود که میتوکندری در یوکاریوت‌ها از پروکاریوت‌ها (احتمالاً باکتری‌های غیر گوگردی بنفش) که زمانی همزیست گونه‌های دیگر پروکاریوت‌ها یا نوع دیگری از سلول بوده‌اند، نشأت می‌گیرد. میتوکندری‌ها جزء تقریباً کلی یوکاریوت‌ها هستند. منشا مشابهی برای کلروپلاست‌ها پیشنهاد شده است که توانایی فتوسنتز را به گیاهان می‌دهند. چنین رابطه همزیستی می‌تواند به سلول میزبان مزیتی بدهد زیرا باکتری‌های همزیست می‌توانند تنفس سلولی را در سلول‌هایی که فقط بر گلیکولیز و تخمیر متکی بودند انجام دهند یا باکتری‌های همزیست می‌توانند فتوسنتز را در سلول‌هایی که فاقد کلروفیل بودند انجام دهند.

از جمله شواهد نظریه درون‌همزیستی این است که میتوکندری‌ها حاوی ریبوزوم و DNA هستند و میتوکندری‌ها تنها با تقسیم میتوکندری‌های دیگر تشکیل می‌شوند. ریبوزوم‌های میتوکندری نیز از نوع باکتریایی 70S هستند، در حالی که در جاهای دیگر سلول ریبوزوم‌های نوع 80S یافت می‌شوند. کلروپلاست‌ها همچنین حاوی DNA هستند و تقریباً مشابه آن در بخش‌هایی از DNA باکتری است. علاوه بر این، برخی از کلروپلاست‌ها از نظر ساختاری به شدت شبیه سیانوباکتری‌ها هستند. غشای دو لایه میتوکندری و کلروپلاست از نظر شیمیایی با غشای اطراف هسته متفاوت است.

ساختار سلول پروکاریوتی چگونه است؟

همانطور که بیان شد پروکاریوت‌ها موجودات تک‌سلولی بوده که فاقد اندامک یا سایر ساختارهای داخلی متصل به غشاء هستند. بنابراین، آن‌ها هسته ندارند، اما در عوض، به طور کلی یک کروموزوم دارند. تکه‌ای از DNA دایره‌ای و دو رشته‌ای که در ناحیه‌ای از سلول به نام نوکلوئید قرار دارد. بیشتر پروکاریوت‌ها دارای دیواره سلولی خارج از غشای پلاسمایی هستند. ترکیب دیواره سلولی بین دو حوزه باکتری‌ها و آرکئا، دو حوزه حیات که پروکاریوت‌ها به آن‌ها تقسیم می‌شوند، به طور قابل توجهی متفاوت است. ترکیب دیواره‌های سلولی آن‌ها با دیواره‌های سلولی یوکاریوتی موجود در گیاهان (سلولز) یا قارچ‌ها و حشرات (کیتین) نیز متفاوت است.

دیواره سلولی به عنوان لایه محافظ عمل می‌کند و مسئول شکل ارگانیسم است. برخی از باکتری‌ها کپسول در خارج از دیواره سلولی دارند. ساختارهای دیگر در برخی از گونه‌های پروکاریوتی وجود دارد، اما در برخی دیگر وجود ندارد. به عنوان مثال، کپسول موجود در برخی از گونه‌ها، ارگانیسم را قادر می‌سازد تا به سطوح بچسبد، از کم‌آبی بدن و حمله سلول‌های بیگانه‌خوار محافظت می‌کند و مقاومت آن را در برابر پاسخ‌های ایمنی ما افزایش می‌دهد. برخی از گونه‌ها دارای تاژک‌هایی هستند که برای حرکت و پیلی برای اتصال به سطوح استفاده می‌شود. پلاسمیدها، که از DNA خارج کروموزومی تشکیل شده‌اند، در بسیاری از گونه‌های باکتری‌ها و آرکئاها نیز وجود دارند.

یوکاریوت و پروکاریوت چیست؟

یوکاریوت‌ها موجوداتی هستند که در سطح سلولی بیشتر مواد ژنتیکی آن‌ها در داخل هسته دو غشایی قرار دارد. سایر مواد ژنتیکی خارج از هسته در میتوکندری‌ها و کلروپلاست‌ها (در صورت وجود) یافت می‌شوند. کروموزوم‌های یوکاریوت‌ها رشته‌های خطی DNA هستند. یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها هر دو اطلاعات ژنتیکی خود را در ژن‌های خود ذخیره می‌کنند. منبع اصلی انرژی متابولیک ATP است.

در پروکاریوت‌ها کروموزوم بیشتر دایره‌ای است. پروکاریوت‌ها از نظر اندازه کوچک‌تر از یوکاریوت‌ها هستند. بنابراین، پروکاریوت‌ها نسبت سطح به حجم زیادی دارند و به همین دلیل دارای سرعت متابولیسم بالاتر و سرعت رشد بالایی هستند. هم یوکاریوت‌ها و هم پروکاریوت‌ها دارای ریبوزوم‌هایی هستند که به عنوان محل سنتز پروتئین عمل می‌کنند. با این حال، ترکیب ریبوزوم‌های آن‌ها متفاوت است. ریبوزوم پروکاریوتی 70S است و از زیرواحدهای 50S (زیر واحد بزرگ) و 30S (زیر واحد کوچک) تشکیل شده است. ریبوزوم یوکاریوتی 80S است و از زیرواحدهای 60S (زیر واحد بزرگ) و 40S (زیر واحد کوچک) تشکیل شده است. توجه کنید که واحدهای S با هم جمع نمی‌شوند، زیرا آن‌ها معیارهای نرخ رسوب را نشان می‌دهند.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی Cell Biology در فرادرس

کلیک کنید

طبقه بندی پروکاریوت ها چگونه است؟

برای مدت طولانی، همه پروکاریوت‌ها در یک دامنه طبقه‌بندی می‌شدند. با این حال، کار میکروبیولوژیست کارل ووز در دهه 1970 نشان داد که پروکاریوت‌ها به دو دودمان مجزا تقسیم می‌شوند: آرکئاها و باکتری‌ها. امروزه این گروه‌ها دو حوزه از سه حوزه زندگی را تشکیل می‌دهند. حوزه سوم (یوکاریوت‌ها) شامل همه یوکاریوت‌ها مانند گیاهان، حیوانات و قارچ‌ها می‌شود.

ووز با مطالعه توالی‌های RNA ریبوزومی از ارگانیسم‌های مختلف به کشف موفقیت‌آمیز خود دست یافت. ژن‌های RNA ریبوزومی (rRNA) اغلب برای ساختن درخت‌های تکاملی یا فیلوژنی‌هایی استفاده می‌شوند که روابط بین گونه‌ها را نشان می‌دهند. ژن‌های rRNA برای تعیین روابط تکاملی بین گونه‌ها خوب هستند (چگونه یک گونه به گونه دیگر مرتبط است) زیرا عملکرد یکسانی در بین موجودات دارند و در طول زمان به کندی تکامل می‌یابند. به طور کلی، تفاوت‌های بیشتر در توالی‌های rRNA مربوط به رابطه تکاملی دورتر بین دو ارگانیسم است، در حالی که تفاوت‌های کمتر نشان دهنده رابطه تکاملی نزدیک‌تر است. از زمان جدا شدن از یکدیگر در میلیون‌ها سال پیش، هم باکتری‌ها و هم آرکئاها به گروه‌ها و گونه‌های زیادی تقسیم شده‌اند.

گونه های پروکاریوتی

برای سال‌ها، رویکرد اصلی در مطالعه پروکاریوت‌ها، رشد آن‌ها در آزمایشگاه بود. اگر یک ارگانیسم را بتوان در پلیت آگار یا در محیط کشت مایع رشد داد، می‌توان آن را مطالعه، تجزیه و تحلیل کرد و به فهرست رو به رشد گونه‌ها و سویه‌های پروکاریوتی اضافه کرد. با این حال، برخی از پروکاریوت‌ها نمی‌توانند در محیط آزمایشگاهی رشد کنند (حداقل، نه در شرایطی که دانشمندان امتحان کرده اند). در واقع، تخمین زده می‌شود 99 درصد باکتری‌ها و آرکئاها غیرقابل کشت هستند. این نشان دهنده یک شکاف بسیار بزرگ در درک ما از آنچه که پروکاریوت‌ها در آنجا هستند، است. تا کنون، 8/7 میلیون گونه یوکاریوتی شناخته شده وجود دارد.

دانشمندان باکتری‌ها و آرکئاها را بر اساس شباهت‌ها در ظاهر، فیزیولوژی و ژن‌ها به گروه‌هایی طبقه‌بندی می‌کنند. بسیاری از آن‌ها با استفاده از طبقه‌بندی سنتی لینه، با یک جنس و گونه نام گذاری شده‌اند. با این حال، این سوال که چگونه و اینکه آیا پروکاریوت‌ها باید به گونه‌ها گروه‌بندی شوند یا خیر، موضوع بحث بین دانشمندان باقی مانده است. مفهوم گونه صحیح برای این موجودات هنوز در حال پیشرفت است.

دانشمندان تخمین می‌زنند که ممکن است میلیون‌ها گونه پروکاریوتی (یا گروه‌های گونه مانند) وجود داشته باشد، اما ما در مورد بیشتر آن‌ها اطلاعات کمی داریم. این به لطف توالی‌یابی DNA در مقیاس بزرگ شروع به تغییر کرده است. توالی‌یابی DNA این امکان را برای دانشمندان فراهم می‌کند که کل جوامع پروکاریوتی را در زیستگاه‌های طبیعی خود مورد مطالعه قرار دهند. از جمله بسیاری از پروکاریوت‌هایی که غیرقابل کشت هستند و قبلاً برای محققان شناسایی نشده بودند.

ژنوم جمعی چنین جامعه‌ای متاژنوم آن و تجزیه و تحلیل توالی‌های متاژنومی به عنوان متاژنومیکس شناخته می‌شود. متاژنومیکس پروکاریوتی یکی از حوزه‌های زیست‌شناسی است. به عنوان مثال، نمونه DNA را می‌توان از بستر میکروبی چشمه آب گرم، گرفت. حتی نمونه کوچکی از این جامعه غنی شامل افراد بسیار زیادی از گونه‌های مختلف است. با تعیین توالی و تجزیه و تحلیل نمونه‌های DNA متاژنوم، دانشمندان گاهی اوقات می‌توانند کل ژنوم گونه‌های ناشناخته قبلی را کنار هم قرار دهند. در موارد دیگر، آن‌ها از اطلاعات توالی ژن‌های خاص استفاده می‌کنند تا بفهمند چه نوع پروکاریوت‌هایی وجود دارند (و چگونه با یکدیگر یا گونه‌های شناخته شده مرتبط هستند). ژن‌های یافت شده در نمونه‌های DNA می‌توانند سرنخ‌هایی در مورد استراتژی‌های متابولیک موجودات در جامعه ارائه دهند.

پروکاریوت پرسلولی چیست؟

هیچ مدرکی برای اثبات وجود پروکاریوت‌های چندسلولی وجود ندارد. با توجه به برخی تحقیقات و شواهد نشان می‌دهد که وجود باکتری چندسلولی ثابت نشده است. برخی از پروکاریوت‌ها، مانند سیانوباکتری‌ها، ممکن است کلونی‌های بزرگی را تشکیل دهند. برخی دیگر مانند میکسوباکتری‌ها دارای مراحل چندسلولی در چرخه زندگی خود هستند.

پروکاریوت ها کجا زندگی می کنند؟

پروکاریوت‌ها در طول عمر طولانی خود تنوع زیادی داشته‌اند. متابولیسم پروکاریوت‌ها بسیار متنوع‌تر از یوکاریوت‌ها است که منجر به بسیاری از انواع متمایز پروکاریوتی می‌شود. به عنوان مثال، علاوه بر استفاده از فتوسنتز یا ترکیبات آلی برای انرژی، مانند یوکاریوت‌ها، پروکاریوت‌ها ممکن است از ترکیبات معدنی مانند سولفید هیدروژن انرژی دریافت کنند. این امر به پروکاریوت‌ها امکان می‌دهد در محیط‌های سخت به سردی سطح برف قطب جنوب یا به گرمی منافذ هیدروترمال زیر دریا و چشمه‌های آب گرم مستقر در خشکی، رشد کنند.

پروکاریوت‌ها تقریباً در تمام محیط‌های روی زمین زندگی می‌کنند. برخی از آرکئاها و باکتری‌ها اکستریموفیل هستند و در شرایط سخت مانند دماهای بالا (ترموفیل) یا شوری بالا (هالوفیل) رشد می‌کنند. بسیاری از آرکئاها به صورت پلانکتون در اقیانوس‌ها رشد می‌کنند. پروکاریوت‌های همزیست در بدن سایر موجودات از جمله انسان یا روی بدن آن‌ها زندگی می‌کنند. پروکاریوت‌ها جمعیت بالایی در خاک دارند. پروکاریوت‌های خاک با وجود نزدیکی به انسان و اهمیت اقتصادی فوق‌العاده‌ای که برای کشاورزی دارند، هنوز به شدت از ویژگی‌های آن‌ها برخوردار نیستند.

انواع پروکاریوت ها

پروکاریوت‌ها، که هم شامل باکتری‌ها و هم آرکئاها می‌شوند، تقریباً در همه جا و در هر اکوسیستم، سطوح خانه‌ها و داخل بدن ما یافت می‌شوند. برخی از پروکاریوت‌ها در محیط‌هایی زندگی می‌کنند که برای موجودات دیگر بسیار شدید است، مانند منافذ داغ در کف اقیانوس. اگرچه پروکاریوت‌ها در اطراف ما یافت می‌شوند، شناسایی، شمارش و طبقه‌بندی پروکاریوت‌ها دشوار است. گونه‌های پروکاریوتی که امروزه می‌شناسیم، بخش کوچکی از همه گونه‌های پروکاریوتی هستند که تصور می‌شود وجود داشته باشند. در ادامه انواع پروکاریوت‌ها را بررسی کرده‌ایم.

باکتری ها

قلمرو باکتری‌ها شامل 5 گروه اصلی است: پروتئوباکتری‌ها، کلامیدیاها، اسپیروکت‌ها، سیانوباکتری‌ها و باکتری‌های گرم مثبت. پروتئوباکتری‌ها به پنج گروه آلفا تا اپسیلون تقسیم می‌شوند. گونه‌های این گروه‌ها دارای طیف وسیعی از سبک زندگی هستند. برخی از آن‌ها با گیاهان همزیست هستند، برخی دیگر در منافذ داغ در اعماق دریا زندگی می‌کنند و برخی دیگر هنوز باعث بیماری‌های انسانی مانند زخم معده (هلیکوباکتر پیلوری) و مسمومیت غذایی (سالمونلا) می‌شوند.

به طور مشابه چهار گروه عمده دیگر از باکتری‌ها متنوع هستند. کلامیدیاها پاتوژن هایی هستند که در داخل سلول‌های میزبان زندگی می‌کنند، در حالی که سیانوباکتری‌ها فتوسنتزکننده‌هایی هستند که بیشتر اکسیژن زمین را می‌تولید می‌کنند. اسپیروکت‌ها هم شامل باکتری‌های بی‌ضرر و هم باکتری‌های مضر هستند، مانند Borrelia burgdorferi که باعث بیماری لایم می‌شود. همین امر در مورد باکتری‌های گرم‌مثبت نیز صدق می‌کند که از باکتری‌های پروبیوتیک موجود در ماست گرفته تا باسیلوس آنتراسیس که باعث سیاه‌زخم می‌شوند.

انواع باکتری ها

باکتری‌ها بر اساس واکنش آن‌ها به رنگ‌آمیزی گرم به دو گروه عمده گرم مثبت و گرم منفی تقسیم می‌شوند. توجه داشته باشید که همه باکتری‌های گرم مثبت متعلق به یک گروه هستند. باکتری‌های موجود در فیلاهای دیگر (پروتئوباکتری‌ها، کلامیدیاها، اسپیروکت‌ها، سیانوباکتری‌ها و سایرین) گرم منفی هستند. روش رنگ آمیزی گرم به نام مخترع آن، دانشمند دانمارکی هانس کریستین گرام (1853-1938) نام‌گذاری شده است. پاسخ‌های مختلف باکتری به روش رنگ‌آمیزی در نهایت به دلیل ساختار دیواره سلولی است.

پاسخ‌های مختلف باکتری به روش رنگ‌آمیزی در نهایت به دلیل ساختار دیواره سلولی است. ارگانیسم‌های گرم‌مثبت معمولاً فاقد غشای خارجی موجود در موجودات گرم‌منفی هستند. تا 90 درصد از دیواره سلولی باکتری‌های گرم‌مثبت از پپتیدوگلیکان تشکیل شده است و بقیه از مواد اسیدی به نام اسیدهای تیکوئیک تشکیل شده است. اسیدهای تیکوئیک ممکن است به صورت کووالانسی به لیپیدهای غشای پلاسمایی متصل شده و اسیدهای لیپوتیکوئیک را تشکیل دهند. اسیدهای لیپوتیکوئیک دیواره سلولی را به غشای سلولی متصل می‌کنند.

باکتری‌های گرم منفی دیواره سلولی نسبتاً نازکی دارند که از چند لایه پپتیدوگلیکان (تنها 10 درصد از کل دیواره سلولی) تشکیل شده است که توسط یک پوشش بیرونی حاوی لیپوپلی ساکاریدها (LPS) و لیپوپروتئین‌ها احاطه شده است. این پوشش خارجی گاهی اوقات به عنوان لایه دوم لیپیدی نامیده می‌شود. شیمی این پوشش بیرونی بسیار متفاوت است، با این حال، با شیمی دولایه لیپیدی معمولی که غشاهای پلاسمایی را تشکیل می‌دهد.

آرکئاها

قلمرو «آرکئا» (Archaea) شامل 4 گروه اصلی است. جالب اینجاست که تاکنون هیچ کدام از آرکئاها که پاتوژن انسانی باشد، کشف نشده است. آرکئا در بدن ما و حیوانات به عنوان مثال، در روده زندگی می‌کنند، اما به نظر می‌رسد همه آن‌ها بی‌ضرر یا مفید هستند. اگرچه فرضیه‌هایی وجود دارد، اما هنوز هیچ‌کس دقیقاً نمی‌داند که چرا در آرکئاها هیچ گونه بیماری‌زایی تکامل نیافته است. در کنار آرکئاهایی که از محیط راحت روده انسان لذت می‌برند، بسیاری از گونه‌های افراطی وجود دارند که در مکان‌های بسیار غیرقابل زیست زندگی می‌کنند. این محیط‌ها شامل چشمه‌های آب گرم آتشفشانی، منافذ آب گرم زیر دریا و مکان‌های بسیار نمکی مانند دریای مرده است.

اگرچه آرکی‌باکترها در بسیاری از فرآیندهای مهم زیست‌محیطی درگیر هستند و در اکوسیستم‌های زمین حضور دارند، اما بیشتر به‌خاطر این مسئله که علاقمند بودن به زندگی در محیط‌های افراطی شناخته می‌شوند و در شرایطی وجود دارند که سایر راگانیسم‌ها توانایی زندگی در آن را ندارند. انواع آن‌ها شامل موارد زیر است:

• ترموفیل‌ها در دمای بالا زندگی می‌‌کنند.
• هایپرترموفیل‌ها در دمای بسیار بالا زندگی می‌کنند (رکورد کنونی 121 درجه سانتی‌گراد است).
• سایکروفیل‌ها (که کرایوفیل نیز نامیده می‌شوند) هوای سرد را دوست دارند (یکی از آن‌ها در قطب جنوب در دمای 4 درجه سانتی‌گراد بهترین رشد را دارد).
• هالوفیل‌ها در محیط‌های بسیار شور زندگی می‌کنند (مانند دریای مرده).
• اسیدوفیل‌ها در PH پایین زندگی می‌کنند (به اندازه pH= 1)
• آلکالوفیل‌ها در pH بالا رشد می‌کنند.

سیانوباکترها

سیانوباکترها که جلبک سبز-آبی نیز نامیده می‌شوند، میکروارگانیسم‌هایی هستند که قبلاً به عنوان آغازیان تک‌سلولی و فتوسنتزی در نظر گرفته می‌شدند. با این حال، آن‌ها اکنون به گروه یا دسته‌ای از باکتری‌های فتوسنتزی تعلق دارند که در زیستگاه‌های آبی و خاک‌های مرطوب زندگی می‌کنند. سیانوباکتری‌ها از نظر اکولوژیکی مهم هستند زیرا درصد زیادی از اکسیژن گازی از فعالیت فتوسنتزی آن‌ها می‌آید.

آن‌ها ممکن است فاقد هسته باشند، اما دارای ریز محفظه‌ها (مانند تیلاکوئیدها و کربوکسیزوم‌ها) هستند. آن‌ها همچنین دارای رنگدانه‌های فتوسنتزی (به ویژه فیکوبیلیپروتئین‌ها) هستند که رنگ سبز مایل به آبی سلول‌های آن‌ها را تشکیل می‌دهند. سیانوباکتری‌ها شامل Chroococcales، Pleurocapsales، Oscillatoriales، Nostocales و Stigonematales هستند.

فیلم آموزش جلبک شناسی در فرادرس

کلیک کنید

همانندسازی در پروکاریوت ها و تولید مثل آن ها

پروکاریوت‌ها از طریق فرآیند تقسیم سلولی به نام شکافت دوتایی تولید مثل می‌کنند. مانند میتوز در یوکاریوت‌ها، این فرآیند شامل کپی کردن کروموزوم و جداسازی یک سلول به دو سلول است. شکافت دوتایی یکی از اشکال غیرجنسی تولید مثل است، به این معنی که شامل تولید تخمک و اسپرم یا اختلاط مواد ژنتیکی از دو فرد نیست. به جز در مورد جهش‌های نادر یا تغییرات در توالی DNA، شکافت دوتایی سلول‌های دختری را تولید می‌کند که از نظر ژنتیکی با سلول مادر یکسان هستند. پروکاریوت‌ها با شکافت دوتایی به صورت غیرجنسی تولید مثل می‌کنند و آن‌ها همچنین می‌توانند مواد ژنتیکی را از طریق روش‌های «ترانسفورماسیون» (Transformation)، «انتقال» (Transduction) و «هم‌یوغی» (Conjugation) تبادل کنند.

تنوع ژنتیکی در موجودات پروکاریوتی از طریق نوترکیبی انجام می‌شود. در بازترکیب، ژن‌های یک پروکاریوت در ژنوم پروکاریوت دیگر گنجانده می‌شود. نوترکیبی در تولید مثل باکتری توسط فرآیندهای کونژوگاسیون، ترانسفورماسیون یا ترانسداکسیون انجام می‌شود.

شکافت دوتایی

شکافت دوتایی شکلی از تولید مثل غیرجنسی است که در آن یک سلول برای تولید دو سلول دختر یکسان تقسیم می‌شود. تولید مثل غیرجنسی با تولید مثل جنسی تفاوت دارد زیرا شامل میوز یا لقاح گامت‌ها نمی‌شود. این فرآیند در نهایت میلیون‌ها سلول یکسان تولید می‌کند. شکافت دوتایی در شکل زیر نشان داده شده است. در شرایط بهینه، باکتری‌ها می‌توانند به سرعت رشد کرده و تقسیم شوند و برخی از باکتری‌ها می‌توانند به سرعت هر 20 دقیقه دو برابر شوند.

برخی از پروکاریوت‌ها می‌توانند ساختارهای تولید مثلی پیچیده‌تری را تشکیل دهند که امکان پراکندگی سلول‌های دختر تازه تشکیل شده را فراهم می‌‌کند. به عنوان مثال می‌توان به تشکیل بدن بارده توسط میکسوباکتریا و تشکیل هیف‌هایی توسط استرپتومایسس اشاره کرد.

مراحل شکافت دوتایی

• شکافت دوتایی با تکثیر مولکول DNA آغاز می‌شود. هر دو نسخه از DNA به غشای سلولی متصل می‌شوند.
• در مرحله بعد، غشای سلولی بین دو مولکول DNA شروع به رشد می‌کند. هنگامی که باکتری تقریباً اندازه اصلی خود را دو برابر کرد، غشای سلولی شروع به فشرده شدن به سمت داخل می‌کند.
• سپس دیواره سلولی بین دو مولکول DNA تشکیل می‌شود که سلول اصلی را به دو سلول دختر یکسان تقسیم می‌کند.

هم یوغی یا کونژوگاسیون

کونژوگاسیون باکتریایی انتقال ماده ژنتیکی بین باکتری‌ها از طریق تماس مستقیم سلول به سلول است. سلول اهداکننده ساختاری به نام «پیلوس جنسی» (F pilus) می‌سازد. پیلوس یک سلول را به سلول دیگر متصل می‌کند. غشاهای دو سلول با هم ادغام می‌شوند و مواد ژنتیکی (معمولاً پلاسمید)، به سلول گیرنده حرکت می‌کند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

ترانسفورماسیون

«ترانسفورماسیون باکتریایی» (Bacterial transformation) به فرآیندی گفته می‌شود که سلول‌های باکتریایی مولکول‌های DNA برهنه را از محیط خود می‌گیرند. این فرآیند به طور گسترده در تکنیک‌های مهندسی ژنتیک بیوتکنولوژی استفاده می‌شود. ترانسفورماسیون و انتقال مصنوعی در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و فناوری برای انتقال ژن‌ها بین پروکاریوت‌ها، ویروس‌ها و یوکاریوت‌ها استفاده می‌شود. این روشی مفید برای بررسی عملکرد ژن‌ها، مطالعه بیماری‌های ژنتیکی و توسعه ارگانیسم‌های تراریخته است که می‌توانند اطلاعات علمی ارزشمندی ارائه دهند و همچنین داروها یا سایر ترکیبات مفید را بسازند.

ترانسداکسیون

«ترانسداکسیون» (Transduction) فرآیندی است که طی آن DNA پروکاریوتی توسط ویروس از یک پروکاریوت به پروکاریوت دیگر منتقل می‌شود. هنگامی که فاژ (ویروس‌هایی که پروکاریوت‌ها را آلوده می‌کنند) یک سلول را آلوده می‌کند، فاژ با «ربایش» دستگاه تکثیر DNA سلول میزبان برای ساختن کپی‌های زیادی از DNA یا RNA خود تکثیر می‌شود. سلول میزبان همچنین ژن‌های فاژ را رونویسی و ترجمه می‌کند. نسخه های جدید DNA یا RNA فاژ سپس در فاژهای تازه ساخته شده بسته‌بندی می‌شوند.

گاهی اوقات، قطعات کوچک DNA پروکاریوتی، به جای ژنوم فاژ، در فاژ بسته می‌شود. در همان زمان، برخی از ژن‌های فاژ در کروموزوم پروکاریوتی باقی می‌مانند. سپس این ژن‌های پروکاریوتی توسط فاژ جدید به پروکاریوت‌های دیگر منتقل می‌شوند.

بخش های مختلف سلول پروکاریوت

چهار ساختار اصلی وجود دارد که بین تمام سلول‌های پروکاریوتی، باکتریایی یا آرکئاها مشترک است. برخی از سلول‌های پروکاریوتی ساختارهای دیگری مانند دیواره سلولی، پیلی (پیلوس منفرد) و تاژک یا فلاژلا (فلاژلوم منفرد) دارند. هر یک از این ساختارها و اجزای سلولی نقش مهمی در رشد، بقا و تولیدمثل سلول‌های پروکاریوتی ایفا می‌کنند. در جدول زیر به طور خلاصه بخش‌های مختلف پروکاروت‌ها را معرفی می‌کنیم سپس در ادامه بخش‌های ساختاری مختلف در پروکاریوت‌ها را توضیح داده‌ایم.

غشای پلاسمایی پروکاریوتی

غشای پلاسمایی ساختار دولایه لیپیدی نازکی (6 تا 8 نانومتر) است که به طور کامل سلول را احاطه کرده و داخل را از بیرون جدا می‌کند. ماهیت نفوذپذیر انتخابی آن، یون‌ها، پروتئین‌ها و سایر مولکول‌ها را در سلول نگه می‌دارد و از انتشار آن‌ها به محیط خارج سلولی جلوگیری می‌کند، در حالی که سایر مولکول‌ها ممکن است از طریق غشاء حرکت کنند. ساختار کلی غشای سلولی به صورت یک دولایه فسفولیپیدی است که از دو لایه مولکول چربی تشکیل شده است. در غشاهای سلولی آرکئاها، زنجیره‌های ایزوپرن (فیتانیل) مرتبط با گلیسرول جایگزین اسیدهای چرب مرتبط با گلیسرول در غشای باکتری‌ها می‌شود. برخی از غشاهای آرکئا به جای دو لایه، تک‌لایه لیپیدی هستند.

سلول‌های پروکاریوتی می‌توانند غشاهای پلاسمایی متعددی داشته باشند. به عنوان مثال، پروکاریوت‌هایی که به عنوان «باکتری‌های گرم منفی» شناخته می‌شوند، اغلب دارای دو غشای پلاسمایی هستند که فضایی بین آن‌ها به نام پری‌پلاسم شناخته می‌شود. مانند تمام سلول‌ها، غشای پلاسمایی در سلول‌های پروکاریوتی مسئول کنترل آنچه به داخل و خارج از سلول می‌رود، است. مجموعه‌ای از پروتئین‌های گیرکرده در غشاء همچنین به سلول‌های پروکاریوتی در برقراری ارتباط با محیط اطراف کمک می‌کنند. از جمله، این ارتباط می‌تواند شامل ارسال و دریافت سیگنال‌های شیمیایی از باکتری‌های دیگر و تعامل با سلول‌های موجودات یوکاریوتی در طول فرآیند عفونت باشد.

دیواره سلولی پروکاریوت

سیتوپلاسم سلول‌های پروکاریوتی دارای غلظت بالایی از املاح محلول است. بنابراین فشار اسمزی درون سلول نسبتاً زیاد است. دیواره سلولی لایه محافظ است که برخی از سلول‌ها را احاطه کرده و به آن‌ها شکل و استحکام می‌بخشد. خارج از غشای سلولی قرار دارد و از لیز اسمزی (ترکیدن به دلیل افزایش حجم) جلوگیری می‌کند. ترکیب شیمیایی دیواره‌های سلولی بین آرکئا و باکتری‌ها متفاوت است. همچنین بین گونه‌های باکتریایی می‌تواند متفاوت باشد.

دیواره سلولی باکتری حاوی پپتیدوگلیکان متشکل از زنجیره‌های پلی‌ساکارید است که توسط پپتیدهای غیرمعمول حاوی اسیدهای آمینه L و D از جمله D-گلوتامیک اسید و D-آلانین به هم متصل می‌شوند. پروتئین‌ها به طور معمول فقط دارای اسیدهای آمینه L هستند. در نتیجه، بسیاری از آنتی‌بیوتیک‌های ما با تقلید از اسیدهای آمینه D عمل می‌کنند و بنابراین، اثرات خاصی بر رشد دیواره سلولی باکتری‌ها دارند. بیش از 100 شکل مختلف از پپتیدوگلیکان وجود دارد. پروتئین‌های لایه S (لایه سطحی) نیز در خارج از دیواره سلولی هم آرکئاها و هم باکتری‌ها وجود دارند.

کپسول باکتری

بسیاری از پروکاریوت‌ها خارجی‌ترین لایه چسبنده‌ای به نام کپسول دارند که معمولاً از پلی ساکاریدها (پلیمرهای قند) ساخته شده است. این کپسول به پروکاریوت‌ها کمک می‌کند تا به یکدیگر و به سطوح مختلف محیط خود بچسبند و همچنین از خشک شدن سلول جلوگیری می‌کند. در مورد پروکاریوت‌های عامل بیماری که بدن ارگانیسم میزبان را تسخیر کرده‌اند، کپسول یا لایه چسبناک ممکن است از آن‌ها در برابر سیستم ایمنی میزبان محافظت کند.

ضمائم پروکاریوتی

سلول‌های پروکاریوتی اغلب دارای زائده‌هایی (برآمدگی‌هایی از سطح سلول) هستند که به سلول اجازه می‌دهد به سطوح بچسبد، حرکت کند یا DNA را به سلول‌های دیگر منتقل کند. رشته‌های نازکی به نام فیمبریا مانند آنچه در تصویر زیر نشان داده شده است، برای چسبندگی استفاده می‌شود یعنی به سلول‌ها کمک می‌کند تا به اشیا و سطوح در محیط خود بچسبند. زائده‌های بلندتر که پیلی (مفرد: پیلوس) نامیده می‌شوند، انواع مختلفی داشته که نقش‌های متفاوتی دارند.

به عنوان مثال، پیلوس جنسی دو سلول باکتری را در کنار هم نگه می‌دارد و اجازه می‌دهد تا DNA بین آن‌ها در فرآیندی به نام کونژوگاسیون منتقل شود. دسته دیگری از پیلی باکتریایی، به نام پیلی نوع IV، به حرکت باکتری در محیط اطراف کمک می‌کند. با این حال، متداول‌ترین زائده‌هایی که برای رفت و آمد استفاده می‌شوند، تاژک هستند. این ساختارهای دم مانند مانند ملخک به اطراف می‌چرخند تا سلول‌ها را در محیط‌های آبکی حرکت دهند.

نوکلئوئید و کروموزوم پروکاریوتی

تمام حیات سلولی دارای یک ژنوم DNA است که به صورت یک یا چند کروموزوم سازماندهی شده است. کروموزوم‌های پروکاریوتی معمولاً دایره‌ای، هاپلوئید (جفت نشده) هستند و به غشای هسته‌ای پیچیده محدود نمی‌شوند. DNA پروکاریوتی و پروتئین‌های مرتبط با DNA در ناحیه نوکلوئیدی سلول متمرکز شده‌اند. به طور کلی، DNA پروکاریوتی با پروتئین‌های مرتبط با نوکلوئید (NAPs) که به سازماندهی و بسته‌بندی کروموزوم کمک می‌کند، تعامل دارد. در باکتری‌ها، NAP‌ها مشابه هیستون‌ها عمل می‌کنند. هیستون‌ها پروتئین‌های سازمان‌دهنده DNA هستند که در سلول‌های یوکاریوتی یافت می‌شوند. در آرکئاها، نوکلوئید توسط NAPs یا پروتئین‌های سازمان‌دهنده DNA شبه هیستون سازماندهی می‌شود.

پلاسمیدها

سلول‌های پروکاریوتی همچنین ممکن است حاوی DNA خارج کروموزومی یا DNA‌ای باشد که بخشی از کروموزوم نیست. این DNA خارج کروموزومی در پلاسمیدها یافت می‌شود که مولکول‌های کوچک، دایره‌ای و دو رشته‌ای DNA هستند. سلول‌هایی که پلاسمید دارند اغلب صدها عدد از آن‌ها را در یک سلول واحد دارند. پلاسمیدها بیشتر در باکتری‌ها یافت می‌شوند. با این حال، پلاسمیدها در موجودات آرکی‌باکتر و یوکاریوتی یافت شده است. پلاسمیدها اغلب حامل ژن‌هایی هستند که ویژگی‌های مفیدی مانند مقاومت آنتی‌بیوتیکی را ایجاد می‌کنند. بنابراین، آن‌ها برای بقای ارگانیسم مهم هستند.

به عنوان مثال، برخی از پلاسمیدها حامل ژن‌هایی هستند که باکتری‌ها را در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم می‌کنند. (به این ژن‌ها ژن R گفته می‌شود.) هنگامی که پلاسمیدهای حامل ژن R در یک جمعیت مبادله می‌شوند، می‌توانند به سرعت جمعیت را در برابر داروهای آنتی‌بیوتیکی مقاوم کنند. اگرچه این فرآیند برای باکتری‌ها مفید است، اما می‌تواند درمان عفونت‌های باکتریایی مضر را برای پزشکان دشوار کند.

محفظه های داخلی پروکاریوت ها

به عنوان موجودات تک‌سلولی که در محیط‌های ناپایدار زندگی می‌کنند، برخی از سلول‌های پروکاریوتی توانایی ذخیره مواد مغذی اضافی را در ساختارهای سیتوپلاسمی به نام «اینکلوژن» (Inclusions) دارند. ذخیره مواد مغذی به شکل پلیمریزه سودمند است زیرا تجمع فشار اسمزی را که با تجمع املاح در سلول اتفاق می‌افتد، کاهش می‌دهد. انواع مختلف اینکلوژن‌ها گلیکوژن و نشاسته را ذخیره می‌کنند که حاوی کربن هستند و سلول‌ها می‌توانند برای دریافت انرژی به آن دسترسی داشته باشند.

پروکاریوت‌ها قرار نیست دارای بخش‌های داخلی مانند اندامک‌های یوکاریوت باشند و در بیشتر موارد، فاقد اندامک هستند. با این حال، سلول‌های پروکاریوتی گاهی برای واکنش‌ها نیاز به افزایش سطح غشاء دارند یا مانند سلول‌های یوکاریوتی، بستری را در اطراف آنزیم خود متمرکز می‌کنند. به همین دلیل، برخی از پروکاریوت‌ها دارای چین‌های غشایی یا بخش‌هایی هستند که عملکردی مشابه با یوکاریوت‌ها دارند. به عنوان مثال، باکتری‌های فتوسنتزی اغلب دارای چین‌های غشایی گسترده در راستای افزایش سطح برای واکنش‌های وابسته به نور هستند، شبیه به غشای تیلاکوئید یک سلول گیاهی. این باکتری‌ها همچنین ممکن است کربوکسی‌زوم‌ها، محفظه‌های سلولی محصور در پروتئین داشته باشند که در آن دی‌اکسیدکربن برای تثبیت در چرخه کالوین متمرکز می‌شود.

گرانول‌های «ولوتین» (Volutin) که به دلیل ویژگی‌های رنگ‌آمیزی‌شان گرانول‌های متاکروماتیک نیز نامیده می‌شوند، اجزایی هستند که فسفات معدنی پلیمریزه شده را ذخیره می‌کنند که می‌تواند در متابولیسم استفاده شود و به تشکیل بیوفیلم کمک کند. میکروب‌های شناخته شده حاوی دانه‌های ولوتین عبارتند از: آرکیا متانوسارسینا، باکتری کورینه‌باکتریوم دیفتری و جلبک یوکاریوتی تک‌سلولی کلامیدوموناس.

گرانول‌های گوگرد، نوع دیگری از اجسام اینکلوژن، در باکتری‌های گوگردی از جنس تیوباسیلوس یافت می‌شوند. این گرانول‌ها گوگرد عنصری را ذخیره می‌کنند که باکتری‌ها از آن برای متابولیسم استفاده می‌کنند. گاهی اوقات، انواع خاصی از اینکلوژن‌ها توسط یک تک‌لایه فسفولیپیدی که با پروتئین جاسازی شده است احاطه می‌شوند. پلی‌هیدروکسی بوتیرات (PHB)، که می‌تواند توسط گونه‌های باسیلوس و سودوموناس تولید شود، نمونه‌ای از گنجایشی است که این نوع ساختار تک‌لایه را نشان می‌دهد. در صنعت، PHB همچنین به عنوان منبع پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر برای پلاستیک‌های زیستی استفاده شده است.

برخی از سلول‌های پروکاریوتی دارای انواع دیگری از اینکلوژن‌ها هستند که اهدافی غیر از ذخیره مواد مغذی دارند. برای مثال، برخی از سلول‌های پروکاریوتی، واکوئل‌های گازی، تجمع وزیکول‌های گازی کوچک با پوشش پروتئینی تولید می‌کنند. این واکوئل‌های گازی به سلول‌های پروکاریوتی که آن‌ها را سنتز می‌کنند این امکان را می‌دهند که شناوری خود را تغییر دهند تا بتوانند مکان خود را در ستون آب تنظیم کنند. باکتری‌های مغناطیسی، مانند Magnetospirillum magnetotacticum، حاوی مگنتوزوم‌هایی هستند که شامل اکسید آهن مغناطیسی یا سولفید آهن هستند و توسط یک لایه لیپیدی احاطه شده اند. این‌ها به سلول‌ها اجازه می‌دهند در امتداد میدان مغناطیسی قرار بگیرند و به حرکت آن‌ها کمک کنند.

ریبوزوم پروکاریوتی چیست؟

تمام حیات سلولی پروتئین‌ها را سنتز می‌کنند و موجودات در هر سه حوزه زندگی دارای ریبوزوم هستند، ساختارهایی که سنتز پروتئین را بر عهده دارند. با این حال، ریبوزوم‌ها در هر یک از سه حوزه از نظر ساختاری متفاوت هستند. ریبوزوم‌ها خود از پروتئین‌ها به همراه RNA ریبوزومی (rRNA) ساخته می‌شوند. ریبوزوم‌های پروکاریوتی در سیتوپلاسم یافت می‌شوند. آن‌ها ریبوزوم 70S نامیده می‌شوند زیرا اندازه آن‌ها 70S است، در حالی که ریبوزوم‌های سیتوپلاسمی یوکاریوتی دارای اندازه 80S هستند. اگرچه اندازه آن‌ها یکسان است، اما ریبوزوم‌های باکتریایی و آرکئاها دارای پروتئین‌ها و مولکول‌های rRNA متفاوتی هستند و نسخه‌های آرکی‌باکترها بیشتر شبیه همتایان یوکاریوتی خود هستند تا نمونه‌های موجود در باکتری‌ها.

نکته: (S مخفف Svedberg unit، اندازه‌گیری رسوب در یک اولتراسانتریفیوژ است که بر اساس اندازه، شکل و کیفیت سطح ساختار مورد تجزیه و تحلیل است).

اندوسپور پروکاریوتی

سلول‌های باکتریایی عموماً به‌عنوان سلول‌های رویشی مشاهده می‌شوند، اما برخی از جنس‌های باکتری توانایی تشکیل اندوسپور را دارند، اندوسپورها ساختارهایی هستند که اساساً از ژنوم باکتری در حالت غیرفعال و زمانی که شرایط محیطی نامطلوب است محافظت می‌کنند. اندوسپورها به برخی از سلول‌های باکتریایی اجازه می‌دهند تا برای مدت طولانی بدون غذا یا آب و همچنین قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی، دمای شدید و حتی تشعشع زنده بمانند. این ساختارها نباید با اسپورهای تولیدمثلی ایجاد شده توسط قارچ‌ها یا باکتری‌ها اشتباه گرفته شوند. در جدول زیر تفاوت‌های اندوسپورهای پروکاریوت و یوکاریوت را بررسی می‌کنیم.

اسپورولاسیون در پروکاریوت ها چیست؟

فرآیند تبدیل سلول‌های رویشی به اندوسپور «هاگ‌زایی» (Sporulation) نامیده می‌شود و عموماً زمانی شروع می‌شود که مواد مغذی کاهش یابد یا شرایط محیطی نامطلوب شود. این فرآیند با تشکیل سپتوم در سلول باکتری رویشی آغاز می‌شود. سپتوم سلول را به طور نامتقارن تقسیم می‌کند و یک فوراسپور (سلول پیش‌ساز اسپور)، DNA را از سلول مادر جدا می‌کند. فوراسپور که هسته آندوسپور را تشکیل می‌دهد، در اصل کپی کروموزوم‌های سلول است و توسط غشای دوم از سلول مادر جدا می‌شود.

با قرار دادن لایه‌هایی از کلسیم و اسید دی‌پیکولینیک بین غشاها، به تدریج یک قشر در اطراف فورسپور تشکیل می‌شود. سپس یک پوشش اسپور پروتئین در اطراف قشر ایجاد می‌شود در حالی که DNA سلول مادر متلاشی می‌شود. بلوغ بیشتر اندوسپور با تشکیل بیرونی‌ترین اگزوسپوریوم اتفاق می‌افتد. آندوسپور پس از متلاشی شدن سلول مادر آزاد می‌شود و هاگ‌زایی را کامل می‌کند.

در این تصویر هر دو حالت اسپورولاسیون پروکاریوتی نشان داده شده است. (a) اسپورزایی به دنبال تقسیم سلولی نامتقارن شروع می‌شود. پیش اسپور توسط یک لایه دوگانه غشاء، یک قشر و یک پوشش هاگ پروتئین احاطه می‌شود، قبل از اینکه به عنوان یک اندوسپور بالغ پس از متلاشی شدن سلول مادر آزاد شود. b) یک میکروگراف الکترونی از اندوسپور کربوکسیدوترموس هیدروژنوفورمانس. (c) در این باسیلوس سلول‌ها در حال اسپورزایی هستند. اندوسپورها با استفاده از رنگ‌آمیزی اسپور مالاکیت سبز مشاهده شده اند.

بررسی شده که اندوسپورهای گونه‌های خاصی برای مدت طولانی، تا هزاران سال، در حالت خاموش باقی می‌مانند. با این حال، هنگامی که شرایط زندگی بهبود می‌یابد، اندوسپورها جوانه می‌زنند و دوباره وارد حالت رویشی می‌شوند. پس از جوانه‌زنی، سلول دوباره از نظر متابولیکی فعال می‌شود و قادر به انجام کلیه عملکردهای طبیعی خود از جمله رشد و تقسیم سلولی است.

همه باکتری‌ها توانایی تشکیل اندوسپور را ندارند. با این حال، تعدادی از باکتری‌های گرم مثبت تشکیل‌دهنده آندوسپور بالینی مهم از جنس باسیلوس و کلستریدیوم وجود دارد. انواع آن‌ها عبارتند از باسیلوس آنتراسیس، عامل ایجادکننده سیاه زخم، که آندوسپورهایی تولید می‌کند که قادر به زنده ماندن برای چندین دهه است. یا کلستریدیوم تتانی که عامل بیماری کزاز است. مبارزه با این‌گونه پاتوژن‌ها دشوار است زیرا کشتن اندوسپورهای آن‌ها بسیار سخت است. روش‌های عقیم‌سازی ویژه برای باکتری‌های تشکیل‌دهنده آندوسپور در کنترل رشد میکروبی مورد بحث قرار گرفته‌اند.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

اندازه سلول پروکاریوتی

با قطر 0/1 تا 5/0 میکرومتر، سلول‌های پروکاریوتی به طور قابل توجهی کوچک‌تر از سلول‌های یوکاریوتی هستند که قطر آن‌ها از 10 تا 100 میکرومتر متغیر است. اندازه کوچک پروکاریوت‌ها به یون‌ها و مولکول‌های آلی که وارد آن‌ها می‌شوند اجازه می‌دهد تا به سرعت به سایر قسمت‌های سلول پخش شوند. به طور مشابه، هر گونه زباله تولید شده در یک سلول پروکاریوتی می‌تواند به سرعت خارج شود. با این حال، سلول‌های یوکاریوتی بزرگ‌تر سازگاری‌های ساختاری متفاوتی برای افزایش حمل‌ونقل سلولی ایجاد کرده‌اند.

در واقع، اندازه بزرگ این سلول‌ها بدون این سازگاری‌ها امکان‌پذیر نخواهد بود. به طور کلی، اندازه سلول محدود است زیرا حجم بسیار سریع‌تر از سطح سلول افزایش می‌یابد. با بزرگ‌تر شدن سلول، به دست آوردن مواد کافی برای پشتیبانی از فرآیندهای درون سلول برای سلول دشوار و دشوارتر می‌شود، زیرا اندازه نسبی سطحی که مواد باید در سراسر آن منتقل شوند کاهش می‌یابد.

مورفولوژی پروکاریوت ها

سلول‌های منفرد ارگانیسم پروکاریوتی خاص معمولاً از نظر شکل یا مورفولوژی سلولی مشابه هستند. اگرچه هزاران ارگانیسم پروکاریوتی شناسایی شده است، تنها تعداد انگشت‌شماری از مورفولوژی‌های سلولی معمولاً به صورت میکروسکوپی دیده می‌شوند. در جدول زیر مورفولوژی‌های سلولی و شکل‌های رایج سلول‌های پروکاریوتی را نام می‌برد و نشان می‌دهد.

نام	توصیف	شکل	تصویر میکروسکوپی
کوکوس (شکل کوکسی)	گرد (مدور)
باسیلوس (جمع: باسیلی)	میله‌ای
ویبریو (جمع: ویبریوس)	میله منحنی
کوکوباسیلوس (جمع کوکوباسیلی)	میله کوتاه
اسپیریلوم (جمع اسپیرلا)	مارپیچ
اسپیروکت	مارپیچ بلند، شل و مارپیچ

علاوه بر شکل سلولی، سلول‌های پروکاریوتی از همان گونه ممکن است بسته به سطح تقسیم سلولی، در ترتیبات مشخصی با هم گروه می‌شوند. انواع حالات قرارگیری سلول‌های پروکاریوتی در کنار هم شامل موارد زیر است.

• کوکوس (کره تک)
• دیپلوکوکوس (دو کره کنار هم)
• تتراد (گروه‌بندی چهارسلولی که در یک مربع قرار گرفته‌اند)
• استرپتوکوک (زنجیره‌ای از کوکسی‌ها)
• استافیلوکوک (خوشه‌ای از کوکسی‌ها)
• باسیلوس (تک میله)
• استرپتوباسیلوس (زنجیره‌ای از میله‌ها)

در اکثر سلول‌های پروکاریوتی، مورفولوژی توسط دیواره سلولی در ترکیب با عناصر اسکلت سلولی حفظ می‌شود. دیواره سلولی ساختاری است که در بیشتر پروکاریوت‌ها و برخی یوکاریوت‌ها یافت می‌شود. غشای سلولی را می‌پوشاند و سلول را از تغییرات فشار اسمزی محافظت می‌کند. فشار اسمزی به دلیل تفاوت در غلظت املاح در طرف مقابل یک غشای نیمه‌تراوا رخ می‌دهد.

نقش مورفولوژی در نقل و انتقالات سلول پروکاریوت

آب می‌تواند از یک غشای نیمه تراوا عبور کند، اما املاح (مولکول‌های محلول مانند نمک‌ها، قندها و سایر ترکیبات) نمی‌توانند. هنگامی که غلظت املاح در یک طرف غشا بیشتر باشد، آب از سمتی که غلظت کمتری دارد (آب بیشتر) در سراسر غشا به سمت با غلظت بالاتر (آب کمتر) پخش می‌شود تا زمانی که غلظت دو طرف برابر شود. این انتشار آب اسمز نامیده می‌شود و هنگامی که محیط خارجی سلول تغییر می‌کند، می‌تواند باعث ایجاد فشار اسمزی شدید بر روی سلول شود. محیط خارجی یک سلول را می‌توان به عنوان محیط ایزوتونیک، هیپرتونیک یا هیپوتونیک توصیف کرد. در ادامه هر کدام از این محیط‌ها را توصیف کرده‌ایم.

• در محیط ایزوتونیک، غلظت املاح در داخل و خارج سلول تقریباً برابر است، بنابراین هیچ حرکت خالص آب در طول غشای سلولی وجود ندارد.
• در محیط هایپرتونیک، غلظت املاح در خارج از سلول بیشتر از داخل سلول است، بنابراین آب به خارج از سلول و به محیط خارجی پخش می‌شود.
• در محیط هیپوتونیک، غلظت املاح در داخل سلول بیشتر از خارج سلول است، بنابراین آب با اسمز به داخل سلول حرکت می‌کند. این باعث می‌شود که سلول متورم شود و به طور بالقوه لیز یا ترکیده شود.

به درجه‌ای که یک سلول خاص می‌تواند تغییرات فشار اسمزی را تحمل کند، تونیسیته می‌گویند. سلول‌هایی که دیواره سلولی دارند بهتر می‌توانند تغییرات ظریف فشار اسمزی را تحمل کنند و شکل خود را حفظ کنند. در محیط‌های هیپرتونیک، سلول‌هایی که فاقد دیواره سلولی هستند، می‌توانند کم‌آب شوند و باعث ایجاد یا چروک شدن سلول شوند. غشای پلاسمایی منقبض می‌شود و پوسته پوسته یا بریده به نظر می‌رسد. در مقابل، سلول‌هایی که دارای دیواره سلولی هستند، به جای ایجاد شدن، تحت پلاسمولیز قرار می‌گیرند.

در پلاسمولیز، غشای پلاسمایی منقبض شده و از دیواره سلولی جدا می‌شود و حجم داخلی کاهش می‌یابد، اما دیواره سلولی دست نخورده باقی می‌ماند و به سلول اجازه می‌دهد تا شکل و یکپارچگی خود را برای مدتی حفظ کند. به همین ترتیب، سلول‌هایی که فاقد دیواره سلولی بوده، در محیط‌های هیپوتونیک بیشتر مستعد لیز هستند. وجود دیواره سلولی به سلول اجازه می‌دهد تا قبل از لیز کردن، شکل و یکپارچگی خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ کند.

در این تصویر نحوه ورود و خروج آب در انواع محیط‌های مختلف نشان داده شده است. در سلول‌های پروکاریوتی، دیواره سلولی در برابر تغییرات فشار اسمزی محافظت می‌کند و به آن اجازه می‌دهد شکل خود را برای مدت طولانی حفظ کند. در قسمت (الف) غشای سلولی معمولاً در محیط ایزوتونیک به دیواره سلولی متصل می‌شودو میزان ورود و خروج آب به سلول برابر است، در قسمت (ب) در محیط هایپرتونیک، غشای سلولی از دیواره سلولی جدا شده و با خروج آب از سلول منقبض می‌شود (پلاسمولیز). (ج) در محیط هیپوتونیک، دیواره سلولی از انبساط غشای سلولی تا نقطه ترکیدن جلوگیری می‌کند، اگرچه در صورت جذب آب بیش از حد، لیز در نهایت رخ می‌دهد.