Prokaryotická bunka je základom jednobunkových organizmov, ako sú baktérie, archeóny a sinice. Z evolučného hľadiska predstavuje staršiu a podstatne jednoduchšiu formu bunky v porovnaní s eukaryotickou bunkou. Jej veľkosť je variabilná, najčastejšie sa pohybuje od 0,2 do 2,0 µm, a tvarovo je tiež rôznorodá, pričom dominujú guľovité a tyčinkovité tvary.
Hoci ide primárne o jednobunkovce, niektoré prokaryotické organizmy, napríklad vláknité sinice, môžu tvoriť kolónie. Jednotlivé bunky v takejto kolónii, nazývané klony, nie sú cytoplazmaticky prepojené a každá je plne schopná samostatnej existencie. Tento fenomén zoskupovania sa pozoruje nielen v mikrosvete, ale aj pri primitívnych mnohobunkovcoch a spoločenskom hmyze.
Štruktúra prokaryotickej bunky
Prokaryotická bunka je biochemicky mimoriadne aktívna. Jej základnou membránovou štruktúrou je plazmatická membrána, ktorá obaluje bunku. Táto membrána má rovnakú stavbu ako u eukaryotov, ale plní aj dôležitú metabolickú funkciu, pretože v nej sú zabudované enzýmy dýchacieho reťazca a enzýmy na syntézu lipidov, nahrádzajúc tak funkciu špecializovaných organel. Špecifickými vchlípeninami tejto membrány dovnútra bunky sú mezozómy.
Nad cytoplazmatickou membránou sa nachádza pevná bunková stena, ktorá dodáva bunke tvar a chráni ju pred prasknutím v dôsledku osmotického tlaku. Bunková stena sa delí podľa chemického zloženia:
- Baktérie: Základnou stavebnou zložkou je peptidoglykán mureín. Obsahuje špecifické aminokyseliny v D-konformácii, čo sťažuje jeho rozklad imunitným systémom. Podľa stavby mureínu sa baktérie delia na grampozitívne (hrubá vrstva mureínu) a gramnegatívne (tenká vrstva mureínu s vonkajšou fosfolipidovou membránou).
- Archeóny: Mureín sa u nich nenachádza, ich stena je tvorená špecifickými bielkovinami (pseudomureín).
Niektoré prokaryoty majú na úplnom povrchu vytvorené ochranné hlienové puzdro (kapsula), čo je slizovitá vrstva z hydratovaných polysacharidov a lipidov.
Genetický materiál prokaryotov nie je obalený jadrovou membránou. Je voľne uložený v oblasti cytoplazmy nazývanej nepravé jadro (nukleoid alebo prokaryon). Tvorí ho jediná veľká, silne zvinutá kruhová molekula DNA - bakteriálny chromozóm. Táto DNA je „holá“, pretože nie je viazaná na históny. Okrem hlavného chromozómu sa v cytoplazme, najmä u baktérií, môžu nachádzať malé kruhové molekuly DNA nazývané plazmidy. Plazmidy sa replikujú nezávisle od chromozómu a často obsahujú gény zodpovedné za odolnosť voči antibiotikám alebo toxínom. Špecifickou kategóriou sú konjugatívne plazmidy, ktoré sa môžu prenášať medzi bunkami procesom konjugácie.
Všetky prokaryotické bunky obsahujú ribozómy, ktoré slúžia na syntézu bielkovín. Sú menšie a majú nižšiu sedimentačnú konštantu (70S) ako eukaryotické ribozómy. Tento veľkostný rozdiel má význam v medicíne.
Povrchové štruktúry a špecializované útvary
Na pohyb a komunikáciu s okolím slúžia prokaryotám povrchové výbežky. Niektoré bunky majú na pohyb v tekutom prostredí bičík (flagellum), ktorého štruktúra sa líši od eukaryotického bičíka a je tvorený bielkovinou flagelín. Kratšími povrchovými vláknami sú fimbrie (pilusy).
Výnimkou z pravidla o absencii membránových organel sú útvary v bunkách fotosyntetizujúcich baktérií a siníc. Tieto organizmy tvoria voľné, dovnútra vchlípené úseky plazmatickej membrány alebo oddelené vezikuly - tylakoidy.
V nepriaznivých podmienkach si niektoré baktérie (napr. bacily) dokážu vytvoriť okolo svojej DNA a časti cytoplazmy extrémne odolný hrubostenný obal. Tieto útvary v stave hlbokej dormancie sa nazývajú endospóry (alebo len spóry) a dokážu prežiť ničivé podmienky ako var, vysušenie či silnú radiáciu.
Rozmnožovanie prokaryotickej bunky
Prokaryotické bunky sa delia jednoduchým, rýchlym a efektívnym nepohlavným priečnym delením. Zložité procesy ako mitóza či meióza sa u nich nevyskytujú. Za optimálnych podmienok sa dokážu rozdeliť už za 20-30 minút.
Proces priečneho delenia
Proces delenia prebieha v troch základných krokoch:
- Zdvojenie genetického materiálu: Bunka si vytvorí presnú kópiu svojej kruhovej molekuly DNA. Oba chromozómy zostávajú prichytené vedľa seba na vnútornej strane cytoplazmatickej membrány.
- Rast bunky a tvorba priehradky: Bunka sa predlžuje. Rastom cytoplazmatickej membrány v úseku medzi chromozómami sa od seba fyzicky vzďaľujú. Následne sa bunka začne v strede zaškrcovať a vytvára sa priečna priehradka (septum). Do nej sa postupne ukladá materiál na stavbu novej membrány a bunkovej steny.
- Rozdelenie: Keď je septum úplne dokončené, bunky sa od seba jednoducho odtrhnú. Výsledkom sú dve dcérske bunky, ktoré sú presnými genetickými kópiami materskej bunky.
Genetická výmena a štúdium
Prokaryotické organizmy sú kvázi po celý život v haploidnom stave, čo obmedzuje klasické genetické štúdium. Genetický materiál sa medzi baktériami môže prenášať tromi základnými procesmi:
- Konjugácia: Jednosmerný prenos DNA z donorovej bunky do recipientnej prostredníctvom konjugačných pilusov. Vyžaduje priamy bunkový kontakt.
- Transdukcia: Prenos DNA medzi bunkami prostredníctvom bakteriálnych vírusov - bakteriofágov.
- Transformácia: Prenos holej DNA v médiu do bakteriálnych buniek.
Konjugácia
Konjugácia je analogická kríženiam eukaryotických organizmov a nazýva sa aj parasexuálny proces. Výmena génov nastáva rekombináciou. Bunky, ktoré vlastnia tzv. F faktor (F pre fertilitu), sú donorové (F⁺) a sú schopné iniciovať konjugáciu s recipientnými bunkami (F⁻). F plazmid obsahuje informáciu pre syntézu sex-pilusov. Pri prenose F plazmidu sa jeho replikáciou jeho množstvo v donorovej bunke nevytráca.
Hfr kmene (high frequency of recombination) vznikajú včlenením F plazmidu do bakteriálneho chromozómu. Pri konjugácii Hfr kmeňov sa prenáša celý bakteriálny chromozóm, ktorého je F plazmid súčasťou. Recipientné bunky pri tom nezískavajú fenotyp F⁺.
F' plazmidy vznikajú nepresným vyštiepením F plazmidu z chromozómu spolu s priľahlými génmi. Prenos F' plazmidu do F⁻ recipientných buniek sa nazýva sex-dukcia.
Hfr a F' kmene sú vhodné na štúdium vzťahov dominancie a recesivity génov, pretože v bunke sa nachádzajú dve alely - jedna na chromozóme a druhá na plazmide.
Transdukcia
Transdukcia je prenos DNA pomocou bakteriofágov. Pri nabaľovaní DNA do vírusových častíc môže dôjsť k prenosu vlastných génov bakteriálnej bunky do iných buniek. Bunky, ktoré prijali cudzorodú DNA, sa nazývajú transduktanty.
- Lytické fágy: Po infekcii spôsobujú degradáciu bakteriálnej DNA a deštrukciu buniek. Môžu nabaliť ľubovoľné časti bakteriálnej DNA.
- Lyzogénne (temperované) fágy: Integrujú sa do bakteriálneho chromozómu a množia sa spolu s bakteriálnymi bunkami. Na podnet môžu indukovať lýzu buniek. Tieto fágy môžu vbaliť do hlavičiek len cudziu DNA, ktorá sa nachádza v blízkosti miesta ich inzercie.
KONJUGÁCIA, TRANSFORMÁCIA, TRANSDUKCIA (HORIZONTÁLNY PRENOS GÉNOV)
Transformácia
Transformácia je prenos holej DNA v médiu do bakteriálnych buniek. Tento proces je citlivý voči nukleázam, pretože DNA nie je chránená. Bunky sa musia stať kompetentnými, aby prijali cudzorodú DNA. Každý druh baktérie vyžaduje iné podmienky pre vznik kompetencie.
Bunky, ktoré úspešne prijali cudzorodú DNA, sa nazývajú transformanty. Pri baktériách ako Bacillus subtilis sa kompetencia indukuje pri prechode z exponenciálnej do stacionárnej fázy rastu. Escherichia coli je imúnna voči prirodzenej transformácii, preto sa používajú techniky ako chemická transformácia (s využitím dvojmocných katiónov ako CaCl₂) alebo elektroporácia (pomocou silných elektrických impulzov).
Mapovanie génov
Všetky tri procesy - konjugácia, transdukcia a transformácia - možno využiť na mapovanie génov prokaryot, teda určovanie ich pozície a vzdialeností na DNA. Pri mapovaní pomocou konjugácie sa často používajú Hfr kmene ako donory a recipientné kmene s definovanými mutáciami. Princíp spočíva v rôznych časoch prerušovania konjugácie, čím sa zisťuje sila väzby medzi génmi.
Pri mapovaní génov pomocou transdukcie a transformácie sa používajú recipientné kmene mutantné v analyzovaných génoch. Čím menšia vzdialenosť medzi génmi, tým vyššia frekvencia súčasného prenosu (kotransdukcia, kotransformácia).
tags: #rozmnozovanie #prokaryotickej #bunky