תוֹכֶן
תאים הם היחידות הבסיסיות של החיים, וככאלה הם האלמנטים הקטנים ביותר של יצורים חיים השומרים על כל תכונות המפתח הקשורות לדברים חיים, כולל חילוף חומרים, יכולת ההתרבות ואמצעי לשמירה על איזון כימי. תאים הם או פרוקריוטי, מונח המתייחס לחיידקים ולהתנפצות של אורגניזמים חד-תאיים, או eukaryotic, המתייחס לצמחים, פטריות ובעלי חיים.
תאים פרוקריוטים חיידקיים אחרים פשוטים כמעט בכל דרך בהשוואה למקביליהם האוקריוטים. כל התאים לכל הפחות כוללים קרום פלזמה, ציטופלזמה וחומר גנטי בצורה של DNA. בעוד שהתאים האוקריוטים כוללים מגוון רחב של אלמנטים מעבר לחיוניים אלה, שלושת הדברים הללו מהווים כמעט את כל תאי החיידקים. תאים בקטריאליים, לעומת זאת, כוללים כמה תכונות שתאים איוקריוטים לא לא, ובמיוחד קיר תא.
יסודות תאים
באורגניזם אקולוגי יחיד יכול להיות טריליוני תאים, אם כי שמרים הם חד-תאיים; לעומת זאת, לתאים חיידקיים יש רק תא אחד. בעוד התאים האוקריוטים כוללים מגוון של אברונים הקשורים לממברנה, כמו הגרעין, המיטוכונדריה (אצל בעלי חיים), כלורופלסטים (צמחים עונים על המיטוכונדריה), גופי גולגי, הרטיקול האנדופלמזי והליזוזומים, אין לתאים חיידקיים אברונים. הן האוקריוטות והן הפרוקריוטות כוללות ריבוזומים, המבנים הזעירים האחראים על סינתזת חלבונים, אך בדרך כלל הם מדמיינים בקלות רבה יותר באוקריוטות מכיוון שרבים מהם מקבצים לאורך תכנית הרשת האנדופלסמטית ליניארית.
קל לראות בתאים חיידקיים ובחיידקים עצמם "פרימיטיביים", כתוצאה מגילם האבולוציוני הגדול יותר (כ -3.5 מיליארד שנים, לעומת כמיליון וחצי מיליארד לפרוקריוטות) ופשטותם. עם זאת, הדבר מטעה מכמה סיבות. האחת היא שמבחינת העל הישרדות המינים, מורכבות יותר אינה אומרת בהכרח חזקה יותר; ככל הנראה, חיידקים כקבוצה יעלו על בני האדם ואורגניזמים "גבוהים יותר" ברגע שהתנאים בכדור הארץ ישתנו מספיק. סיבה שנייה היא שתאים חיידקיים, אם כי פשוטים, פיתחו מגוון מנגנוני הישרדות עוצמתיים שלא היו להם איוקריוטות.
פריימר תאי בקטריאלי
תאים חיידקיים מגיעים בשלוש צורות בסיסיות: דמויי מוט (הבסילי), עגולים (קוקצי) וצורת ספירלה (ספירילי). מאפייני תאי חיידקים מורפולוגיים אלו יכולים להיות שימושיים באבחון מחלות זיהומיות הנגרמות על ידי חיידקים ידועים. לדוגמה, "דלקת גרון" היא הגורמים לפי מינים של סטרפטוקוקים, שכפי שהשם מרמז, הם עגולים, כמו גם סטפילוקוקים. אנתרקס נגרם על ידי ציצית גדולה, ומחלת ליים נגרמת על ידי ספירוצ'טה, שהיא בצורת ספירלה. בנוסף לצורות המשתנות של תאים בודדים, תאי חיידקים נוטים להימצא באשכולות שמבנהם משתנה בהתאם למין המדובר. כמה מוטות וקוקצ'ים צומחים בשרשראות ארוכות, ואילו קוקאיות אחרות מסוימות נמצאות באשכולות שמזכירים מעט את צורתם של תאים בודדים.
מרבית תאי החיידק יכולים, בשונה מוירוסים, לחיות באופן עצמאי מאורגניזמים אחרים, ואינם מסתמכים על דברים חיים אחרים לצרכים מטבוליים או רבניים. עם זאת, קיימים חריגים; כמה מינים של Rickettsiae ו כלמידיה הם תוך תאיים מחויבים, כלומר אין להם ברירה אלא לאכלס את התאים של היצורים החיים כדי לשרוד.
תאים בקטריאליים חסרי גרעין הם הסיבה לכך שתאים פרוקריוטיים נבדלו במקור מתאי אוקריוטים, שכן הבדל זה ניכר אפילו תחת מיקרוסקופים בעלי עוצמה מוגדלת יחסית. ה- DNA החיידקי, אף שאינו מוקף בקרום גרעיני כמו זה של האוקריוטים, בכל זאת נוטה להתקבץ מקרוב, והיווצרות המחוספס המתקבלת נקראת נוקלאואיד. יש בסך הכל פחות DNA בתאים חיידקיים מאשר בתאים אוקריוטיים; אם נמתח מקצה לקצה, עותק יחיד של החומר הגנטי האוקארירוטות הטיפוסי, או כרומטין, היה נמתח לכמיליון מילימטר, ואילו זה של חיידק יפרש על בערך 1-2 מיקרומטר - ההבדל בין 500 עד 1,000. החומר הגנטי של האוקריוטים כולל גם DNA עצמו וגם חלבונים הנקראים היסטונים, ואילו ל- DNA הפרוקריוטי יש כמה פוליאמינים (תרכובות חנקן) ויוני מגנזיום הקשורים אליו.
קיר התא הבקטריאלי
אולי ההבדל המבני המובהק ביותר בין תאים חיידקיים לתאים אחרים הוא העובדה שבחיידקים יש קירות תאים. קירות אלה עשויים פפטידוגליקן מולקולות, שוכנות ממש מחוץ לקרום התא, אשר תאים מכל הסוגים כוללים. פפטידוגליקנים מורכבים משילוב של סוכרים פוליסכרידים ומרכיבי חלבון; תפקידם העיקרי הוא להוסיף הגנה ונוקשות לחיידקים ולהציע נקודת עיגון למבנים כמו פילי ופלאלות, שמקורם בקרום התא ונמשך דרך דופן התא לסביבה החיצונית.
אם היית מיקרוביולוג שפועל במאה עברה ורצית ליצור תרופה המסוכנת לתאי חיידקים כשהיא לרוב לא מזיקה לתאים אנושיים, והיית יודע את המבנים בהתאמה של ההרכב התאי האורגניזמים האלה, אתה יכול לעשות זאת על ידי תכנון או למצוא חומרים רעילים לדפנות התא תוך חסכון ברכיבי תאים אחרים. למעשה, כך בדיוק פועלות הרבה אנטיביוטיקה: הן מכוונות ומשמידות את דופן התא של החיידק, והורגות את החיידקים כתוצאה מכך. פניצילינים, שהופיע בראשית שנות הארבעים של המאה הקודמת ככיתה ראשונה של אנטיביוטיקה, פועל על ידי עיכוב הסינתזה של הפפטידוגליקנים המרכיבים את דפנות התא של כמה, אך לא כולם, חיידקים. הם עושים זאת על ידי הפעלת אנזים המזרז תהליך המכונה חיבור בין חיידקים רגישים. לאורך השנים בחר מתן אנטיביוטיקה לחיידקים המייצרים במקרה חומרים המכונים בטא-לקטמזים, אשר מכוונים לפניצילינים "הפולשים". לפיכך, נותר "מירוץ חימוש" ארוך שנים ובלתי נגמר בין אנטיביוטיקה ליעדים הזעירים וגורמים למחלות שלהם.
פלאנלה, פילי ואנדוספורס
ישנם חיידקים הכוללים מבנים חיצוניים המסייעים לחיידקים בניווט שלהם בעולם הפיזי. לדוגמה, סמל (יחיד: flagellum) הם נספחים דמויי שוט המספקים אמצעי תנועה לחיידקים המחזיקים אותם, בדומה לזה של ראשנים. לפעמים הם נמצאים בקצה אחד של תא חיידקי; יש חיידקים שיש להם בשני הקצוות. הפלאלה "מכה" ממש כמו שעושה מדחף, ומאפשרת לחיידקים "לרדוף" אחר חומרים מזינים, "לברוח" מכימיקלים רעילים או לנוע לעבר אור (כמה חיידקים, המכונים ציאנובקטריה, סומכים על פוטוסינתזה לאנרגיה כמו שצמחים עושים ולכן הם זקוקים לחשיפה קבועה לאור).
פילי (יחיד: pilus), דומים מבחינה מבנית ל flagella, מכיוון שהם תחזיות שיער המשתרעות החוצה משטח התא החיידקי. תפקידם, לעומת זאת, שונה. במקום לסייע בתנועתיות, פילי עוזר לחיידקים להיקשר עצמם לתאים ומשטחים אחרים של קומפוזיציות שונות, כולל סלעים, מעיים ואפילו אמייל שיניים. במילים אחרות, הם מציעים "דביקות" לחיידקים באופן שהקליפות האופייניות של הכדורים מאפשרות לאורגניזמים אלה להיצמד לסלעים. ללא פילי, חיידקים פתוגניים רבים (כלומר גורמים למחלות) אינם זיהומיים, מכיוון שהם אינם יכולים לדבוק ברקמות מארחות. סוג מיוחד של פילי משמשים לתהליך הנקרא צמידות, בו שני חיידקים מחליפים חלקים של DNA.
מבנה דיאבולי למדי של חיידקים מסוימים הם אנדוספוריות. Bacillus ו קלוסטרידיום מינים יכולים לייצר נבגים אלה, שהם גרסאות עמידות מאוד לחום, מיובש וחסרות פעילות של תאי חיידקים רגילים הנוצרים בתוך התאים. הם מכילים את הגנום השלם שלהם וכל האנזימים המטבוליים. מאפיין המפתח של האנדוספור הוא מעיל הנבג המגן המורכב שלו. בוטוליזם המחלה נגרם על ידי א קלוסטרידיום בוטולינום אנדוספור, המפריש חומר קטלני הנקרא אנדוטוקסין.
רבייה חיידקית
חיידקים מייצרים בתהליך שנקרא ביקוע בינארי, שפשוט פירושו להתפצל לשניים וליצור זוג תאים שכל אחד מהם זהה גנטית לתא האב. צורת רבייה א-מינית זו עומדת בניגוד חריף להתרבותם של אאוקריוטים, שהם מיניים בכך שהיא מעורבת בשני אורגניזמים הורים התורמים כמות שווה של חומר גנטי ליצירת צאצאים. בעוד שהתרבות מינית על פני השטח עשויה להיראות מסורבלת - אחרי הכל, מדוע להציג את הצעד היקר האנרגטי הזה אם תאים יכולים פשוט להתפצל לשניים במקום זאת? - זהו הבטחה מוחלטת למגוון הגנטי, ומגוון זה חיוני להישרדות המינים.
חשבו על זה: אם כל בן אנוש היה זהה גנטית או אפילו קרוב, במיוחד ברמה של אנזימים וחלבונים שאינכם יכולים לראות אלא שמשרתים תפקודים מטבוליים חיוניים, אז די בסוג יחיד של יריב ביולוגי כדי למחוק את כל האנושות . אתה כבר יודע שבני אדם נבדלים ברגישותם הגנטית לדברים מסוימים, החל מהעיקרי (ישנם אנשים שיכולים למות מחשיפה לחשיפות קטנות לאלרגנים, כולל בוטנים וארס דבורים) ועד לטריוויאלי יחסית (יש אנשים שאינם יכולים לעכל את הלקטאז הסוכר, מה שהופך את הם אינם מסוגלים לצרוך מוצרי חלב ללא הפרעות חמורות במערכת העיכול שלהם). מין הנהנה מגיוון גנטי רב מוגן ברובו מפני הכחדה, מכיוון שמגוון זה מציע את חומר הגלם שעליו יכולים לחצים טבעיים חיוביים לבחור. אם במקרה 10% מהאוכלוסייה של מין נתון חסינים בפני נגיף מסוים שהמין טרם חווה, זהו פשוט מוזר. אם לעומת זאת הנגיף יבוא לידי ביטוי באוכלוסייה זו, ייתכן שלא עבר זמן רב וההתרחשות הזו 10 אחוזים מייצגים 100 אחוז מהאורגניזמים ששרדו במין זה.
כתוצאה מכך, חיידקים פיתחו מספר שיטות להבטחת המגוון הגנטי. אלו כוללים טרנספורמציה, צמידות ו הולכה. לא כל תאי החיידק יכולים לעשות שימוש בכל התהליכים הללו, אך ביניהם הם מאפשרים לכל מיני החיידקים לשרוד במידה רבה בהרבה מכפי שהיו עושים אחרת.
טרנספורמציה היא תהליך נטילת ה- DNA מהסביבה, והיא מחולקת לצורות טבעיות ומלאכותיות. בטרנספורמציה טבעית מופנמים DNA מחיידקים מתים דרך קרום התא, בסגנון נבלות ומשולבים ב- DNA של החיידק ששרד. בטרנספורמציה מלאכותית, מדענים מכניסים DNA באופן מכוון לחיידק מארח, לעיתים קרובות אי - קולי (מכיוון שלמין זה יש גנום קטן ופשוט שמאפשר לתמרן בקלות) על מנת ללמוד אורגניזמים אלה או ליצור מוצר חיידקי רצוי. לעתים קרובות, ה- DNA שהוצג הוא מ- פלסמיד, טבעת המתרחשת באופן טבעי של DNA חיידקי.
צמידות הוא התהליך שבאמצעותו חיידק אחד משתמש בפילוס או פילי כדי "להזריק" DNA לחיידק שני באמצעות מגע ישיר. ה- DNA המועבר יכול, כמו עם טרנספורמציה מלאכותית, להיות פלסמיד או שזה יכול להיות שבר אחר. ה- DNA שהוצג לאחרונה עשוי לכלול גן חיוני שמקודד לחלבונים המאפשר עמידות לאנטיביוטיקה.
לבסוף, התמרה נשענת על נוכחותו של וירוס פולש הנקרא בקטריופאג '. נגיפים מסתמכים על שכפול של תאים חיים מכיוון שלמרות שיש להם חומר גנטי, אין להם מכונות לייצור עותקים ממנו. בקטריופאגים אלו מכניסים חומר גנטי משלהם ל- DNA של החיידקים אליהם הם פולשים ומכוונים את החיידקים לבצע יותר פאגים, שהגנום שלהם מכיל אז תערובת של ה- DNA החיידקי המקורי וה- DNA של החיידקים. כאשר החיידק החדש הזה עוזב את התא, הם יכולים לפלוש לחיידקים אחרים ולהעביר את ה- DNA שנרכש מהמארח הקודם לתא החיידק החדש.