CÈL·LULA PROCARIOTA: CARACTERÍSTIQUES, ESTRUCTURA CEL·LULAR, TIPUS - BIOLOGIA - 2025

Les cèl·lules procariotes són estructures senzilles i sense un nucli delimitat per una membrana plasmàtica. Els organismes associats a aquest tipus cel·lular són unicel·lulars, encara que poden agrupar-se i formar estructures secundàries, com cadenes.

Dels tres dominis de la vida proposats per Carl Woese, els procariotes corresponen a Bacteri i Archaea. El domini restant, Eucarya, està compost per cèl·lules eucariotes, més grans, complexes i amb un nucli delimitat.

Cèl·lula procariota. Font: By Ali Zifan, from Wikimedia Commons

Una de les dicotomies més importants en les ciències biològiques és la distinció entre la cèl·lula eucariota i la procariota. Històricament, un organisme procariota es considera simple, sense organització interna, sense organelos i mancats de citoesquelet. No obstant això, noves evidències estan acabant amb aquests paradigmes.

Per exemple, s'han identificats estructures en procariotes que potencialment poden ser considerades com orgànuls. Igualment, s'han trobat proteïnes homòlogues a les proteïnes de eucariotes que formen el citoesquelet.

Els procariotes són molt variats quant a la seva nutrició. Poden fer servir com a font d'energia la llum provinent de el sol i l'energia continguda en els enllaços químics. També poden utilitzar diferents fonts de carboni, com diòxid de carboni, glucosa, aminoàcids, proteïnes, entre d'altres.

Els procariotes es divideixen per via asexual mitjançant fissió binària. En aquest procés l'organisme replica el seu ADN circular, augmenta el seu volum i finalment es divideix en dues cèl·lules idèntiques.

No obstant això, hi ha mecanismes d'intercanvi de material genètic que generen variabilitat en els bacteris, com la transducció, conjugació i transformació.

Característiques generals

Els procariotes són organismes unicel·lulars relativament senzills. La característica més resaltante que identifica aquest grup és l'absència d'un nucli veritable. Es divideixen en dos grans branques: els bacteris veritables o eubacteris i els arqueobacteris.

Han colonitzat gairebé tots els hàbitats imaginables, des de l'aigua i el sòl fins a l'interior d'altres organismes, incloent l'ésser humà. Específicament, arqueobacteris habiten en zones amb temperatures, salinitat i pH extrem.

estructura

Cèl·lula procariota mitjana.

L'esquema arquitectònic d'un procariota típic és, sense cap mena de dubte, el d'Escherichia coli, un bacteri que habita normalment en el nostre tracte gastrointestinal.

La forma cel·lular recorda un bastó i posseeix 1 um de diàmetre i 2 um de longitud. Els procariotes estan envoltats d'una paret cel·lular, composta principalment de polisacàrids i pèptids.

La paret cel·lular bacteriana és una característica molt important i, segons l'estructura, permet establir un sistema de classificació en dos grans grups: els bacteris gram positives i les gram negatives.

Seguit de la paret cel·lular, trobem una membrana (element comú entre procariotes i eucariotes) de naturalesa lipídica amb una sèrie d'elements protètics incrustada en aquesta que separa l'organisme del seu medi ambient.

L'ADN és una molècula circular situada en una regió específica que no posseeix cap tipus de membrana o separació amb el citoplasma.

El citoplasma exhibeix una aparença rugosa i posseeix aproximadament 3.000 ribosomes - estructures encarregades de la síntesi de proteïnes.

Tipus de procariotes

Els procariotes actuals estan conformats per una àmplia diversitat de bacteris que es divideix en dos grans dominis: Eubacteria i Archaebacteria. Segons les evidències, aquests grups semblen haver divergit molt d'hora en l'evolució.

Les arqueobacteris són un grup de procariotes que, generalment, viuen en ambients les condicions són inusuals, com temperatures o salinitat elevada. Aquestes condicions són poc comuns avui en dia, però van poder ser prevalent a la terra primitiva.

Per exemple, les termoacidófilas viuen en zones on la temperatura arriba a un màxim de 80 ° C i un pH de 2.

Les eubacteris, per la seva banda, viuen en ambient comuns per a nosaltres els éssers humans. Poden habitar el sòl, l'aigua o viure en altres organismes - com els bacteris que formen part del nostre tracte digestiu.

Morfologia dels procariotes

Els bacteris vénen en una sèrie de morfologies molt variades i heterogènies. Dins de les més comunes tenim les arrodonides que s'anomenen cocos. Aquests poden presentar-se de manera individual, en parelles, en cadena, en tètrades, etc.

Alguns bacteris són morfològicament similars a un bastó i es denominen bacils. A l'igual que els cocos poden trobar-se en diferents arranjaments amb més d'un individu. També trobem a les espiroquetes amb forma d'espiral ia les que posseeixen forma de coma o de gra anomenats vibrions.

Cadascuna d'aquestes morfologies descrites poden variar entre les diferents espècies - per exemple, un bacil pot ser més allargat que un altre o amb les vores més arrodonits - i són útils a l'hora d'identificar l'espècie.

reproducció

reproducció asexual

La reproducció en els bacteris és de tipus asexual i passa per mitjà de fissió binària. En aquest procés l'organisme literalment es "parteix en dos", resultant en clons de l'organisme inicial. Perquè això passi hi ha d'haver prou recursos disponibles.

El procés és relativament senzill: l'ADN circular es replica, formant dues dobles hèlixs idèntiques. Posteriorment el material genètic s'acomoda en la membrana cel·lular i la cèl·lula comença a créixer, fins que duplica la seva grandària. La cèl·lula es divideix finalment i cada part resultant posseeix una còpia d'ADN circular.

En alguns bacteris, les cèl·lules poden dividir el material i créixer, però no es divideixen de el tot i formen una mena de cadena.

Fonts addicionals de variabilitat genètica

Hi esdeveniments d'intercanvi de gens entre bacteris que permeten la transferència i recombinació genètica, procés similar al que coneixem com a reproducció sexual. Aquests mecanismes són la conjugació, la transformació i la transducció.

La conjugació consisteix en l'intercanvi de material genètic entre dos bacteris per mitjà d'una estructura similars a fins pèls anomenada pili o fímbries, que actua com a "pont". En aquest cas, ha d'haver una proximitat física entre els dos individus.

La transformació implica la presa de fragments d'ADN nu que es troba en el medi ambient. És a dir, en aquest procés no és necessària la presència d'un segon organisme.

Finalment tenim la traducció, on el bacteri adquireix el material genètic per mitjà d'un vector, per exemple els bacteriòfags (virus que infecten bacteris).

nutrició

Els bacteris necessiten substàncies que en garanteixin la supervivència i que els atorgui l'energia necessària per als processos cel·lulars. La cèl·lula va a prendre aquests nutrients per absorció.

De manera general podem classificar els nutrients en essencials o bàsics (aigua, fonts d'carboni, i compostos nitrogenats), secundaris (com alguns ions: potassi i magnesi) i oligoelements que es necessiten en concentracions mínimes (ferro, cobalt).

Alguns bacteris necessiten factors de creixement específics, com vitamines i aminoàcids i els factors estimulants que, tot i que no són imprescindibles, ajuden en el procés de creixement.

Els requeriments nutritius dels bacteris varien àmpliament, però és necessari el seu coneixement per poder preparar mitjans de cultius efectius que assegurin el creixement d'un organisme d'interès.

categories nutritives

Els bacteris poden ser classificades d'acord a la font de carboni que facin servir, ja sigui orgànica o inorgànica i depenent de la font d'obtenció energètica.

D'acord amb la font de carboni tenim dos grups: les autòtrofes o Litotrofas usen el diòxid de carboni i les heteròtrofes o organótrofasque requereixen d'una font orgànica de carboni.

En el cas de la font d'energia tenim també dues categories: les fotótrofas que fan servir l'energia provinent de el sol o energia radiants i les quimiótrofas que depenen de l'energia de les reaccions químiques. Així, combinant les dues categories, els bacteris poden classificar-se en:

Fotoautótrofas

L'energia l'obtenen a partir de la llum solar - el que vol dir que són fotosintèticament actius - i la seva font de carboni és el diòxid de carboni.

fotoheterótrofos

Són capaços d'utilitzar l'energia radiant per al seu desenvolupament però no són capaços d'incorporar diòxid de carboni. Per això, usen altres fonts de carboni, com alcohols, àcids grassos, àcids orgànics i hidrats de carboni.

quimioautótrofos

L'energia l'obtenen de les reaccions químiques i són capaços d'incorporar diòxid de carboni.

Quimioheterótrofos

Usen l'energia provinent de les reaccions químiques i el carboni ve de compostos orgànics, com glucosa - que és el més utilitzats - lípids i també proteïnes. Cal notar que la font d'energia i la font de carboni és la mateixa en tots dos casos, per tant la diferenciació entre ambdues és difícil.

Generalment, els microorganismes que són considerats patògens de l'ésser humans pertanyen a aquesta última categoria i usen com a font de carboni dels aminoàcids i compostos lipídics dels seus hostes.

metabolisme

El metabolisme comprèn totes les reaccions químiques complexes i catalitzades per enzims que tenen lloc a l'interior d'un organisme perquè aquest pugui desenvolupar-se i reproduir-se.

En els bacteris, aquestes reaccions no difereixen dels processos bàsics que tenen lloc en els organismes més complexos. De fet, tenim múltiples rutes que són compartits per tots dos llinatges d'organismes, com la glucòlisi per exemple.

Les reaccions de el metabolisme es classifiquen en dos grans grups: les reaccions de biosíntesi o anabòliques, i les reaccions de degradació o catabòliques, que ocorren per aconseguir l'obtenció d'energia química.

Les reaccions catabòliques alliberen de manera esglaonada energia que l'organisme utilitza per a la biosíntesi dels seus components.

Diferències fonamentals amb les cèl·lules eucariotes

Els procariotes difereixen dels procariotes principalment en la complexitat estructural de la cèl·lula i en els processos que tenen lloc al seu interior. A continuació descriurem les diferències principals entre els dos llinatges:

Grandària i complexitat

De manera general, les cèl·lules procariotes són més petites que les eucariotes. Les primeres posseeixen diàmetres entre 1 i 3 micres, en contrast amb una cèl·lula eucariota que pot arribar als 100 micres. No obstant això, hi ha algunes excepcions.

Tot i que els organismes procariotes són unicel·lulars i no podem observar-los a simple vista (al menys que estiguem observant colònies bacteriana, per exemple) no hem de fer servir característica per distingir entre els dos grups. En els eucariotes també trobem organismes unicel·lulars.

De fet, una de les cèl·lules més complexes són els eucariotes unicel·lulars, ja que han de contenir totes les estructures necessàries per al seu desenvolupament confinades en una membrana cel·lular. Els gèneres Paramecium i Trypanosoma són exemples notables d'això.

D'altra banda, existeixen procariotes summament complexos, com els cianobacteris (grup procariota on va tenir lloc l'evolució de les reaccions fotosintètiques).

nucli

La paraula "procariota" fa referència a l'absència de nucli (pro = abans; karyon = nucli) mentre que els eucariotes posseeixen un nucli veritable (eu = veritable). Així, aquests dos grups se separen per la presència d'aquest organelo tan important.

En els procariotes, el material genètic es troba distribuït en una regió específica de la cèl·lula anomenada nucleoide - i no és un nucli veritable perquè no està delimitat per una membrana lipídica.

Els eucariotes presenten un nucli definit i envoltat per una doble membrana. Aquesta estructura és summament complexa, presentant diferents zones en el seu interior com ara el nuclèol. A més, aquesta orgànul pot interactuar amb el medi intern de la cèl·lula gràcies a la presència de porus nuclears.

Organització de l'material genètic

Els procariotes contenen des de 0,6 a 5 milions d'parells de bases en el seu ADN i s'estima que poden codificar fins a 5000 proteïnes diferents.

Els gens procariotes s'organitzen en ens anomenats operons - com el conegut operon lactosa - mentre que els gens eucariotes no.

En els gens podem distingir dues "regions": els introns i els exons. Els primers són porcions que no codifiquen per la proteïna i que estan interrompent les regions codificants, anomenades exons. Els introns són comuns en els gens eucariotes però no en els procariotes.

Els procariotes són generalment haploides (una sola càrrega genètica) i els eucariotes presenten càrregues tant haploides, com poliploides. Per exemple, nosaltres els humans som diploides. Igualment, els procariotes posseeixen un cromosoma i els eucariotes més d'un.

Compactació de el material genètic

Dins de l'nucli cel·lular, els eucariotes exhibeixen una complexa organització de l'ADN. Una llarga cadena d'ADN (d'aproximadament dos metres) és capaç d'enrotllar-de tal manera que pot integrar-se al nucli i, durant els processos de divisió pugui ser visualitzat sota el microscopi en forma de cromosomes.

Aquest procés de compactació de l'ADN involucra una sèrie de proteïnes que són capaços d'unir-se al bri i formar estructures que recorden a un collaret de perles, on el fil està representat per l'ADN i els comptes per les perles. Aquestes proteïnes reben el nom d'histones.

Les histones han estat àmpliament conservades al llarg de l'evolució. És a dir, les nostres histones són increïblement similars a les d'un ratolí, o per anar més lluny a la d'un insecte. Estructuralment, posseeixen un alt nombre d'aminoàcids carregats positivament d'interactuar amb les càrregues negatives de l'ADN.

En els procariotes s'han trobat certes proteïnes homòlogues a les histones que generalment es coneixen amb el nom de histonas- like. Aquestes proteïnes contribueixen al control de l'expressió gènica recombinació i replicació de l'ADN i, a l'igual que les histones en eucariotes, participen en organització de l'nucleoide.

organelos

En les cèl·lules eucariotes es poden identificar una sèrie de compartiments subcel·lulars molt complexos que realitzen funcions específiques.

Els més rellevants són les mitocòndries, encarregades dels processos de respiració cel·lular i generació d'ATP, i en les plantes ressalten els cloroplasts, amb el seu sistema de tres membranes i amb la maquinària necessària per a la fotosíntesi.

Així mateix, tenim a el complex de Golgi, reticle endoplasmàtic llis i rugós, vacúols, lisosomes, peroxisomes, entre d'altres.

Estructura de l'ribosoma

ribosomes

Els ribosomes comprenen la maquinària necessària per a la síntesi de proteïnes, de manera que han d'estar presents tant en els eucariotes com en els procariotes. Tot i que és una estructura indispensable per a tots dos, difereix predominantment en la grandària.

Els ribosomes estan compostos per dues subunitats: una gran i una petita. Cada subunitat és identificada per un paràmetre anomenat coeficient de sedimentació.

En els procariotes la subunitat gran és 50S i la petita és 30S. L'estructura completa rep el nom de 70S. Els ribosomes es troben dispersos en el citoplasma, on realitzen les seves tasques.

Els eucariotes presenten ribosomes més grans, la subunitat gran és 60S, la petita és 40S i tot el ribosoma és designat amb el valor de 80S. Aquests se situen principalment ancorats en el reticle endoplasmàtic rugós.

Paret cel·lular

La paret cel·lular és un element indispensable per a enfrontar l'estrès osmòtic i serveix com a barrera de protecció davant de possibles danys. Gairebé tots els procariotes i alguns grups d'eucariotes presenten paret cel·lular. La diferència rau en la naturalesa química de la mateixa.

La paret bacteriana es compon de peptidoglucano, un polímer constituït per dos elements estructurals: N-acetil-glucosamina i àcid N-acetilmurámico, units entre si per enllaços de tipus β-1,4.

Dins el llinatge eucariota també hi ha cèl·lules amb paret, principalment en alguns fongs i en totes les plantes. El compost més abundant a la paret dels fongs és la quitina i en les plantes és la cel·lulosa, un polímer format per moltes unitats de glucosa.

divisió cel·lular

Com es va discutir anteriorment, els procariotes es divideixen per fissió binària. Els eucariotes tenen un sistema de divisió complexa que involucra diferents etapes de divisió nuclear, ja sigui mitosi o meiosi.

Filogènia i classificació

Generalment estem acostumats a definir una espècie d'acord amb el concepte biològic proposat per E. Mayr el 1989: "grups de poblacions naturals entrecruzables que es troben reproductivament aïllats d'altres grups".

Aplicar aquest concepte a espècies asexuals, com és el cas dels procariotes, és impossible. Per això, ha d'existir una altra manera d'enfocar el concepte d'espècie per poder classificar a aquests organismes.

Segons Rosselló-Mora et al. (2011), el concepte tall-fenético s'ajusta bé a aquest llinatge: "un conjunt monofilètic i genòmicament coherent d'organismes individuals que mostren un alt grau de similitud general en moltes característiques independents, i és diagnosticable per una propietat fenotípica discriminativa".

Anteriorment es classificaven a tots els procariotes en un sol "domini", fins que Carl Woese va suggerir que l'arbre de la vida hauria de posseir tres branques principals. Seguint aquesta classificació els procariotes engloben dos dominis: Archaea i Bacteria.

Dins dels bacteris trobem cinc grups: proteobacterias, clamídies, espiroquetes cianobacteris i bacteris gram positives. Igualment, tenim quatre grups principals d'arqueges: Euryarchaeota, Grup TACK, Asgard i Grup DPANN.

noves perspectives

Un dels conceptes més difosos en la biologia és la simplicitat de l'citosol procariota. No obstant això, noves evidències estan suggerint que hi ha una organització potencial en les cèl·lules procariotes. Actualment, els científics intenten esfondrar el dogma de l'absència de organelos, citoesquelet i altres característiques en aquest llinatge unicel·lular.

Organelos en els procariotes

Els autors d'aquesta proposta tan innovadora i controvertida asseguren que hi ha nivells de compartimentalització en les cèl·lules eucariotes, principalment en estructures delimitades per proteïnes i per lípids intracel·lulars.

Segons els defensors d'aquesta idea, una orgànul és un compartiment envoltat per una membrana biològica amb una funció bioquímica determinada. Entre aquestes "organel·les" que s'ajusten a aquesta definició tenim els cossos lipídics, els carboxisomas, els vacúols de gas, entre altres.

magnetosomes

Un dels compartiments més fascinants dels bacteris són els magnetosomes. Aquestes estructures es relacionen amb la capacitat de certs bacteris - com Magnetospirillum o Magnetococcus - d'usar camps magnètics per a l'orientació.

Estructuralment són un petit cos de 50 nanòmetres envoltat d'una membrana lipídica, el seu interior està compost de minerals magnètics.

membranes fotosintètiques

A més, alguns procariotes presenten "membranes fotosintètiques", que són els compartiments més estudiats en aquests organismes.

Aquests sistemes treballen per maximitzar l'eficiència de la fotosíntesi, incrementant el nombre de proteïna fotosintètica disponible i maximitzar la superfície membranosa que està exposada a la llum.

compartiments en

No ha estat possible traçar una ruta evolutiva plausible des d'aquests compartiments esmentats anteriorment fins als orgànuls altament complexos dels eucariotes.

No obstant això, el gènere Planctomycetes posseeix una sèrie de compartiments a l'interior que recorda a les organel·les pròpiament dites i pot proposar-se com l'ancestre bacterià dels eucariotes. En el gènere Pirellula hi cromosomes i ribosomes envoltats per membranes biològiques.

Components de l'citoesquelet

De la mateixa manera, hi ha certes proteïnes que històricament es consideraven úniques dels eucariotes, entre elles els filaments essencials que formen part de l'citoesquelet: tubulina, actina i filaments intermedis.

Recents investigacions han assolits identificar proteïnes homòlogues a la tubulina (FtsZ, BtuA, BtuB i altres), a l'actina (MreB i MB1) i als filaments intermedis (CFOA).

referències

1. Cooper, GM (2000). The cell: Molecular approach. Sinauer Associates.
2. Dorman, CJ, & Deighan, P. (2003). Regulation of gene expression by histone-like proteins in bacteri. Current opinió in genetics & development, 13 (2), 179-184.
3. Guerrero, R., & Berlanga, M. (2007). The hidden side of the prokaryotic cell: rediscovering the microbial world. International Microbiology, 10 (3), 157-168.
4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Cell biology of prokaryotic organelles. Cold Spring Harbor perspectives in biology, a000422.
5. Rosselló-Mora, R., & Amann, R. (2001). The species concept for Prokaryotes. FEMS microbiology reviews, 25 (1), 39-67.
6. Slesarev, AI, Belova, GI, Kozyavkin, SA, & Lake, JA (1998). Evidence for an early prokaryotic origin of histones H2A and H4 prior to the emergence of eukaryotes. Nucleic àcids research, 26 (2), 427-430.
7. Souza, WD (2012). Prokaryotic cells: structural organisation of the cytoskeleton and organelles. Memòries do Institut Oswaldo Cruz, 107 (3), 283-293.