معلومة

7.17: مقدمة في التنوع بدائيات النواة - علم الأحياء

7.17: مقدمة في التنوع بدائيات النواة - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

ناقش تنوع الخلايا بدائية النواة

في الماضي القريب ، صنف العلماء الكائنات الحية في خمس ممالك - الحيوانات والنباتات والفطريات والطلائعيات وبدائيات النوى - بناءً على عدة معايير ، مثل غياب أو وجود نواة وعضيات أخرى مرتبطة بالغشاء ، وغياب أو وجود جدران الخلايا ، وتعدد الخلايا ، وما إلى ذلك. تضم بكتيريا المجال جميع الكائنات الحية في المملكة البكتيريا ، ويشتمل المجال Archaea على بقية بدائيات النوى ، ويشتمل مجال Eukarya على جميع حقيقيات النوى - بما في ذلك الكائنات الحية في الممالك Animalia و Plantae و Fungi و Protista.

اثنان من المجالات الثلاثة - البكتيريا والعتائق - بدائية النواة. بدائيات النوى كانت أول سكان الأرض ، حيث ظهرت منذ 3.5 إلى 3.8 مليار سنة. هذه الكائنات الحية وفيرة في كل مكان. أي أنهم موجودون في كل مكان. بالإضافة إلى أنها تعيش في البيئات المعتدلة ، فإنها توجد في ظروف قاسية: من غليان الينابيع إلى البيئات المتجمدة بشكل دائم في أنتاركتيكا ؛ من البيئات المالحة مثل البحر الميت إلى البيئات تحت ضغط هائل ، مثل أعماق المحيط ؛ ومن المناطق الخالية من الأكسجين ، مثل مصنع إدارة النفايات ، إلى المناطق الملوثة إشعاعيًا ، مثل تشيرنوبيل. توجد بدائيات النوى في الجهاز الهضمي البشري وعلى الجلد ، وهي مسؤولة عن أمراض معينة ، وتؤدي دورًا مهمًا في تحضير العديد من الأطعمة.

ما سوف تتعلم القيام به

  • وصف التاريخ التطوري لبدائيات النوى
  • ناقش السمات المميزة لعشاق المتطرفين
  • افهم سبب صعوبة استزراع بدائيات النوى
  • ناقش لماذا تشكل بدائيات النوى غالبًا أغشية حيوية

نشاطات التعلم

تشمل الأنشطة التعليمية لهذا القسم ما يلي:

  • التاريخ التطوري لبدائيات النوى
  • الحياة في بيئات معتدلة وشديدة
  • زراعة بدائيات النوى
  • الأغشية الحيوية بدائية النواة
  • الفحص الذاتي: التنوع بدائية النواة

استكشاف التنوع بدائيات النواة في العصر الجينومي

كان فهمنا لبيولوجيا بدائيات النوى من دراسة الثقافات النقية وتسلسل الجينوم محدودًا من خلال تحيز واضح في أخذ العينات نحو أربع شُعَب بكتيرية - البكتيريا المتقلبة ، والثابتة ، والبكتيريا الشعاعية ، والبكتيريا - من أصل 35 سلالة بكتيرية و 18 سلالة أثرية. بدأ تصحيح هذا التحيز من خلال استخدام استراتيجيات عزل موجهة نسبيًا ومن خلال الوصول المباشر إلى الجينومات الميكروبية من العينات البيئية.

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن الكائنات الحية الدقيقة المعزولة في ثقافة نقية من بيئة تمثل الأنواع المهيمنة عدديًا و / أو المهمة وظيفيًا في تلك البيئة. في الواقع ، الكائنات الحية الدقيقة المعزولة باستخدام طرق الزراعة القياسية نادرًا ما تكون مهيمنة عدديًا في المجتمعات التي تم الحصول عليها منها: بدلاً من ذلك ، يتم عزلها بحكم قدرتها على النمو بسرعة في مستعمرات على وسائط نمو اصطناعية عالية المغذيات ، عادةً في ظل الظروف الهوائية ، في درجات حرارة معتدلة. الكائنات الحية المعزولة بسهولة هي "أعشاب" العالم الميكروبي ويقدر أنها تشكل أقل من 1٪ من جميع الأنواع الميكروبية (تم تقدير هذا الرقم من خلال مقارنة تعداد الصفائح مع التعداد المجهري المباشر للكائنات الحية الدقيقة في العينات البيئية وقد أطلق عليها اسم "العظيمة". عدد الصفائح الشاذة "[1]).

بالنظر إلى أن دراسة الكائنات الحية الدقيقة تكون أبسط إذا كان لديك في مزرعة نقية على طبق أجار ، فليس من المستغرب أن معظم ما نعرفه عن علم الأحياء الدقيقة يأتي من دراسة الأعشاب الميكروبية. على سبيل المثال ، تم تخصيص ما يقرب من 65٪ من الأبحاث الميكروبيولوجية المنشورة من عام 1991 إلى عام 1997 لثمانية أجناس بكتيرية فقط ، الإشريكية (18%), هيليكوباكتر (8%), الزائفة (7%), عصية (7%), العقدية (6%), المتفطرة (6%), المكورات العنقودية (6٪) و السالمونيلا (5٪) [2] ، وكلها سهلة النمو على أطباق أجار. حدسيًا ، يبدو من غير المحتمل أن تكون هذه المجموعة من الكائنات الحية ممثلة لما يقرب من 5000 نوع بدائي النواة موصوف بشكل صحيح [3] ، ولكن ما مدى عدم تمثيلية هذه الأنواع بالضبط؟ وإذا كان أكثر من 99٪ من الكائنات الحية الدقيقة في البيئة غير قابلة للزراعة باستخدام التقنيات القياسية ، فما مدى تمثيل الكائنات الحية الدقيقة المزروعة للتنوع بدائيات النواة ككل؟ للإجابة على هذه الأسئلة ، نحتاج إلى إطار عمل لوضع الأنواع والأجناس بدائية النواة في سياق تطوري أوسع.


13.1 التنوع بدائية النواة

بدائيات النوى موجودة في كل مكان. إنها تغطي كل سطح يمكن تخيله حيث توجد رطوبة كافية ، ويعيشون داخل وداخل الكائنات الحية الأخرى. يوجد عدد أكبر من بدائيات النوى داخل وخارج جسم الإنسان أكثر من الخلايا البشرية في الجسم. تزدهر بعض بدائيات النوى في بيئات غير مضيافة لمعظم الكائنات الحية الأخرى. تقوم بدائيات النوى بإعادة تدوير المغذيات - المواد الأساسية (مثل الكربون والنيتروجين) - وهي تقود تطور النظم البيئية الجديدة ، بعضها طبيعي والبعض الآخر من صنع الإنسان. كانت بدائيات النوى موجودة على الأرض منذ فترة طويلة قبل ظهور الحياة متعددة الخلايا.

التنوع بدائية النواة

قدم ظهور تسلسل الحمض النووي نظرة ثاقبة على العلاقات وأصول بدائيات النوى التي لم تكن ممكنة باستخدام طرق التصنيف التقليدية. حددت رؤية رئيسية مجموعتين من بدائيات النوى التي تم العثور عليها لتكون مختلفة عن بعضها البعض كما كانت من حقيقيات النوى. أجبر هذا الاعتراف بالتنوع بدائيات النواة فهمًا جديدًا لتصنيف كل أشكال الحياة وجعلنا أقرب إلى فهم العلاقات الأساسية لجميع الكائنات الحية ، بما في ذلك أنفسنا.

الحياة المبكرة على الأرض

متى وأين بدأت الحياة؟ ما هي الظروف على الأرض عندما بدأت الحياة؟ كانت بدائيات النوى هي الأشكال الأولى للحياة على الأرض ، وكانت موجودة لمليارات السنين قبل ظهور النباتات والحيوانات. يبلغ عمر الأرض حوالي 4.54 مليار سنة. يعتمد هذا التقدير على أدلة من تأريخ مادة النيزك ، لأن الصخور السطحية على الأرض ليست قديمة قدم الأرض نفسها. خضعت معظم الصخور المتوفرة على الأرض لتغيرات جيولوجية تجعلها أصغر سناً من الأرض نفسها. تتكون بعض النيازك من المادة الأصلية في القرص الشمسي التي شكلت كائنات النظام الشمسي ، ولم يتم تغييرها من خلال العمليات التي غيرت الصخور على الأرض. وبالتالي ، فإن عمر النيازك هو مؤشر جيد على عمر تكوين الأرض. تم الحصول على التقدير الأصلي البالغ 4.54 مليار سنة بواسطة كلير باترسون في عام 1956. وقد تم تأكيد عمله الدقيق منذ ذلك الحين من خلال الأعمار المحددة من مصادر أخرى ، وكلها تشير إلى عمر الأرض حوالي 4.54 مليار سنة.

كان للأرض المبكرة جو مختلف تمامًا عما هو عليه اليوم. تشير الأدلة إلى أنه خلال أول 2 مليار سنة من وجود الأرض ، كان الغلاف الجوي يعاني من نقص الأكسجين ، مما يعني أنه لم يكن هناك أكسجين. لذلك ، فقط تلك الكائنات الحية التي يمكن أن تنمو بدون أكسجين - الكائنات اللاهوائية - كانت قادرة على العيش. الكائنات الحية التي تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية تسمى phototrophs. ظهرت الكائنات الضوئية التي تتطلب مصدرًا عضويًا للكربون خلال مليار سنة من تكوين الأرض. بعد ذلك ، تطورت البكتيريا الزرقاء ، المعروفة أيضًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة ، من هذه الصور الضوئية البسيطة بعد مليار سنة. البكتيريا الزرقاء قادرة على استخدام ثاني أكسيد الكربون كمصدر للكربون. بدأت البكتيريا الزرقاء (الشكل 13.2) أكسجة الغلاف الجوي. سمحت الزيادة في تركيز الأكسجين بتطور أشكال الحياة الأخرى.

قبل أن يصبح الغلاف الجوي مؤكسجًا ، تعرض الكوكب لإشعاع قوي ، وبالتالي ، كانت الكائنات الحية الأولى قد ازدهرت حيث كانت أكثر حماية ، كما هو الحال في أعماق المحيطات أو تحت سطح الأرض. في هذا الوقت أيضًا ، كان النشاط البركاني القوي شائعًا على الأرض ، لذلك من المحتمل أن هذه الكائنات الحية الأولى - بدائيات النوى الأولى - قد تكيفت مع درجات حرارة عالية جدًا. هذه ليست البيئات المعتدلة النموذجية التي تزدهر فيها معظم الحياة اليوم ، وبالتالي يمكننا أن نستنتج أن الكائنات الحية الأولى التي ظهرت على الأرض كانت قادرة على الأرجح على تحمل الظروف القاسية.

قد تمثل الحصائر الميكروبية أقدم أشكال الحياة على الأرض ، وهناك أدلة أحفورية على وجودها ، والتي بدأت منذ حوالي 3.5 مليار سنة. الحصيرة الميكروبية عبارة عن غشاء حيوي كبير ، ورقة متعددة الطبقات من بدائيات النوى (الشكل 13.3)أ) ، بما في ذلك البكتيريا في الغالب ، ولكن أيضًا العتائق. يبلغ سمك الحصائر الميكروبية بضعة سنتيمترات ، وتنمو عادةً على الأسطح الرطبة. تقوم أنواعها المختلفة من بدائيات النوى بمسارات أيضية مختلفة ، ولهذا السبب فإنها تعكس ألوانًا مختلفة. بدائيات النوى في حصيرة ميكروبية تتماسك مع بعضها بواسطة مادة تشبه الصمغ تفرزها.

من المحتمل أن تكون الحصائر الميكروبية الأولى قد حصلت على طاقتها من الفتحات المائية الحرارية. التنفيس الحراري المائي هو شق في سطح الأرض ينتج عنه ماء مسخن حراريًا. مع تطور عملية التمثيل الضوئي منذ حوالي 3 مليارات سنة ، أصبحت بعض بدائيات النوى في الحصائر الميكروبية تستخدم مصدر طاقة متاحًا على نطاق أوسع - ضوء الشمس - بينما كان البعض الآخر لا يزال يعتمد على المواد الكيميائية من الفتحات الحرارية المائية للغذاء.

تمثل الحصائر الميكروبية المتحجرة أقدم سجل للحياة على الأرض. الستروماتوليت هو بنية رسوبية تتشكل عندما تترسب المعادن من الماء بدائيات النوى في حصيرة ميكروبية (الشكل 13.3)ب). تشكل الستروماتوليت صخورًا ذات طبقات مصنوعة من الكربونات أو السيليكات. على الرغم من أن معظم الستروماتوليت هي قطع أثرية من الماضي ، إلا أن هناك أماكن على الأرض لا تزال تتشكل فيها الستروماتوليت. على سبيل المثال ، تم العثور على الستروماتوليت الحية في متنزه Anza-Borrego Desert State في مقاطعة سان دييغو ، كاليفورنيا.

بعض بدائيات النوى قادرة على الازدهار والنمو في ظل ظروف قد تقتل نباتًا أو حيوانًا. تسمى البكتيريا والعتائق التي تنمو في ظل ظروف قاسية بأولئك الذين يعيشون في ظروف قاسية ، أي "عشاق المتطرفين". تم العثور على الكائنات المتطرفة في البيئات القاسية من جميع الأنواع ، بما في ذلك أعماق المحيطات ، والينابيع الساخنة ، والقطب الشمالي والقطب الجنوبي ، والأماكن شديدة الجفاف ، وأعماق الأرض ، والبيئات الكيميائية القاسية ، والبيئات عالية الإشعاع. تعطينا Extremophiles فهمًا أفضل للتنوع بدائيات النواة وتفتح إمكانية اكتشاف عقاقير علاجية جديدة أو تطبيقات صناعية. لقد فتحوا أيضًا إمكانية العثور على الحياة في أماكن أخرى في النظام الشمسي ، والتي لديها بيئات أكثر قسوة من تلك الموجودة عادة على الأرض. العديد من هؤلاء لا يستطيعون البقاء على قيد الحياة في بيئات معتدلة.

المفاهيم في العمل

شاهد مقطع فيديو يُظهر مدير قسم علوم الكواكب في وكالة ناسا يناقش الآثار المترتبة على وجود الكائنات المتطرفة على الأرض على إمكانية العثور على حياة على كواكب أخرى في نظامنا الشمسي ، مثل المريخ.

الأغشية الحيوية

حتى عقدين من الزمن ، كان علماء الأحياء الدقيقة يعتقدون أن بدائيات النوى كيانات معزولة تعيش منفصلة. ومع ذلك ، لا يعكس هذا النموذج البيئة الحقيقية لدائيات النوى ، التي يفضل معظمها العيش في مجتمعات يمكن أن يتفاعلوا فيها. البيوفيلم هو مجتمع ميكروبي متماسك في مصفوفة ذات نسيج صمغي ، تتكون أساسًا من السكريات المتعددة التي تفرزها الكائنات الحية ، جنبًا إلى جنب مع بعض البروتينات والأحماض النووية. تنمو الأغشية الحيوية ملتصقة بالأسطح. تتكون بعض الأغشية الحيوية التي تمت دراستها بشكل أفضل من بدائيات النوى ، على الرغم من وصف الأغشية الحيوية الفطرية أيضًا.

الأغشية الحيوية موجودة في كل مكان تقريبًا. أنها تسبب انسداد الأنابيب واستعمار الأسطح بسهولة في البيئات الصناعية. لقد لعبوا أدوارًا في تفشي التلوث البكتيري للأغذية مؤخرًا على نطاق واسع. تستعمر الأغشية الحيوية أيضًا الأسطح المنزلية ، مثل عدادات المطبخ وألواح التقطيع والمصارف والمراحيض.

التفاعلات بين الكائنات الحية التي تسكن الأغشية الحيوية ، جنبًا إلى جنب مع بيئتها الوقائية ، تجعل هذه المجتمعات أكثر قوة من بدائيات النوى التي تعيش بحرية ، أو العوالق. بشكل عام ، من الصعب جدًا تدمير الأغشية الحيوية ، لأنها تقاوم العديد من أشكال التعقيم الشائعة.

خصائص بدائيات النوى

هناك العديد من الاختلافات بين الخلايا بدائية النواة والخلايا حقيقية النواة. ومع ذلك ، فإن جميع الخلايا لها أربعة هياكل مشتركة: غشاء بلازما يعمل كحاجز للخلية ويفصل الخلية عن السيتوبلازم البيئي ، وهي مادة تشبه الهلام داخل المادة الوراثية للخلية (DNA و RNA) والريبوزومات ، حيث يتم تخليق البروتين. يحدث. تأتي بدائيات النوى بأشكال مختلفة ، لكن العديد منها ينقسم إلى ثلاث فئات: الكوتشي (كروي) ، العصيات (على شكل قضيب) ، والسبريلا (الشكل الحلزوني) (الشكل 13.4).

خلية بدائية النواة

تذكر أن بدائيات النوى (الشكل 13.5) هي كائنات وحيدة الخلية تفتقر إلى عضيات محاطة بأغشية. لذلك ، ليس لديهم نواة ولكن بدلاً من ذلك لديهم كروموسوم واحد - قطعة من DNA دائرية تقع في منطقة من الخلية تسمى nucleoid. تحتوي معظم بدائيات النوى على جدار خلوي يقع خارج غشاء البلازما. يختلف تكوين جدار الخلية اختلافًا كبيرًا بين مجالات البكتيريا والعتائق (كما تختلف جدرانها الخلوية عن جدران الخلايا حقيقية النواة الموجودة في النباتات والفطريات.) يعمل جدار الخلية كطبقة واقية ومسؤول عن شكل الكائن الحي. توجد بعض الهياكل الأخرى في بعض الأنواع بدائية النواة ، ولكن ليس في أنواع أخرى. على سبيل المثال ، الكبسولة الموجودة في بعض الأنواع تمكن الكائن الحي من الالتصاق بالأسطح وحمايته من الجفاف. قد تحتوي بعض الأنواع أيضًا على سوط (مفرد ، سوط) يستخدم للتنقل ، و pili (المفرد ، Pilus) يستخدم للارتباط بالأسطح والبكتيريا الأخرى من أجل الاقتران. البلازميدات ، التي تتكون من قطع دائرية صغيرة من الحمض النووي خارج الكروموسوم الرئيسي ، توجد أيضًا في العديد من أنواع البكتيريا.

كل من البكتيريا والعتائق هما نوعان من الخلايا بدائية النواة. وهي تختلف في التركيب الدهني لأغشية خلاياها وخصائص جدرانها الخلوية. كلا النوعين من بدائيات النوى لهما نفس الهياكل الأساسية ، لكنهما مبنيان من مكونات كيميائية مختلفة تدل على انفصال قديم لسلالاتها. يختلف غشاء البلازما البدائية كيميائيًا عن الغشاء البكتيري ، فبعض الأغشية البدائية عبارة عن طبقات دهنية أحادية الطبقة بدلاً من طبقات ثنائية الفوسوفوليبيد.

جدار الخلية

جدار الخلية عبارة عن طبقة واقية تحيط ببعض الخلايا بدائية النواة وتعطيها الشكل والصلابة. يقع خارج غشاء الخلية ويمنع التحلل التناضحي (الانفجار الناجم عن زيادة الحجم). تختلف التركيبات الكيميائية لجدران الخلايا بين الأركيا والبكتيريا ، وكذلك بين الأنواع البكتيرية. تحتوي جدران الخلايا البكتيرية على ببتيدوغليكان ، مؤلف من سلاسل عديد السكاريد متصالبة مع الببتيدات. تنقسم البكتيريا إلى مجموعتين رئيسيتين: إيجابية الجرام وسلبية الجرام ، بناءً على رد فعلها على إجراء يسمى تلوين الجرام. تحدث الاستجابات البكتيرية المختلفة لإجراء التلوين بسبب بنية جدار الخلية. الكائنات موجبة الجرام لها جدار سميك يتكون من عدة طبقات من الببتيدوغليكان. تحتوي البكتيريا سالبة الجرام على جدار خلوي أرق يتكون من طبقات قليلة من الببتيدوغليكان وهياكل إضافية ، محاطة بغشاء خارجي (الشكل 13.6).

اتصال مرئي

أي من العبارات التالية صحيحة؟

  1. البكتيريا موجبة الجرام لها جدار خلوي واحد يتكون من الببتيدوغليكان.
  2. البكتيريا موجبة الجرام لها غشاء خارجي.
  3. جدار الخلية للبكتيريا سالبة الجرام سميك ، وجدار الخلية للبكتيريا موجبة الجرام رقيق.
  4. تحتوي البكتيريا سالبة الجرام على جدار خلوي مصنوع من الببتيدوغليكان ، بينما تحتوي البكتيريا موجبة الجرام على جدار خلوي مصنوع من الدهون الفوسفورية.

لا تحتوي جدران الخلايا البدائية على ببتيدوغليكان. هناك أربعة أنواع مختلفة من جدران الخلايا البدائية. نوع واحد يتكون من pseudopeptidoglycan. تحتوي الأنواع الثلاثة الأخرى من جدران الخلايا على عديد السكاريد والبروتينات السكرية وبروتينات الطبقة السطحية المعروفة باسم طبقات S.

التكاثر

التكاثر في بدائيات النوى هو في الأساس لاجنسي ويتم عن طريق الانشطار الثنائي. تذكر أن DNA بدائيات النوى موجود عادة ككروموسوم دائري واحد. بدائيات النوى لا تخضع للانقسام. بدلاً من ذلك ، يتم تكرار حلقة الكروموسوم ، وتتحرك النسختان الناتجتان المتصلتان بغشاء البلازما بعيدًا بينما تنمو الخلية في عملية تسمى الانشطار الثنائي. بدائيات النوى ، المتضخمة الآن ، مقروصة للداخل عند خط الاستواء ، والخليتان الناتجتان ، وهما مستنسختان ، منفصلتان. لا يوفر الانشطار الثنائي فرصة لإعادة التركيب الجيني ، لكن بدائيات النوى يمكن أن تغير تركيبها الجيني بثلاث طرق.

لا يوفر الانشطار الثنائي كطريقة للتكاثر فرصة لإعادة التركيب الجيني وزيادة التباين الجيني. ومع ذلك ، يمكن أن تغير بدائيات النوى تركيبها الجيني من خلال ثلاث آليات للحصول على DNA خارجي. في عملية تسمى التحول ، تأخذ الخلية الحمض النووي الموجود في بيئتها والذي يتم التخلص منه بواسطة بدائيات النوى الأخرى ، حية أو ميتة. العامل الممرض هو كائن حي يسبب المرض. إذا قامت بكتيريا غير مُمْرِضة بأخذ الحمض النووي من العامل الممرض ودمج الحمض النووي الجديد في كروموسومها ، فقد تصبح أيضًا مسببة للأمراض. في عملية التنبيغ ، تقوم العاثيات ، الفيروسات التي تصيب البكتيريا ، بنقل الحمض النووي من بكتيريا إلى أخرى. تمتلك العتائق مجموعة مختلفة من الفيروسات التي تصيبها وتنقل المواد الجينية من فرد إلى آخر. أثناء الاقتران ، يتم نقل الحمض النووي من بدائية النوى إلى أخرى عن طريق بيلوس الذي يجعل الكائنات الحية على اتصال مع بعضها البعض. عادةً ما يكون الحمض النووي المنقول عبارة عن بلازميد ، ولكن يمكن أيضًا نقل أجزاء من الكروموسوم.

يمكن أن تكون دورات الانشطار الثنائي سريعة جدًا ، في غضون دقائق لبعض الأنواع. ينتج عن هذا الجيل القصير من الوقت المقترن بآليات إعادة التركيب الجيني التطور السريع بدائيات النوى ، مما يسمح لها بالاستجابة للتغيرات البيئية (مثل إدخال مضاد حيوي) بسرعة كبيرة.

كيف تحصل بدائيات النوى على الطاقة والكربون

بدائيات النوى هي كائنات حية متنوعة التمثيل الغذائي. تملأ بدائيات النوى العديد من المنافذ على الأرض ، بما في ذلك المشاركة في دورات المغذيات مثل دورات النيتروجين والكربون ، وتحلل الكائنات الحية الميتة ، والنمو والتكاثر داخل الكائنات الحية ، بما في ذلك البشر. يمكن أن تستخدم بدائيات النوى المختلفة مصادر مختلفة للطاقة لتجميع الجزيئات الكبيرة من الجزيئات الأصغر. تحصل الكائنات الضوئية على طاقتها من ضوء الشمس. تحصل المواد الكيميائية على طاقتها من المركبات الكيميائية.

الأمراض البكتيرية عند البشر

لقد أثرت الأمراض والأوبئة المدمرة التي تنقلها العوامل الممرضة ، سواء الفيروسية أو البكتيرية بطبيعتها ، على البشر وما زالت تصيبهم. وتجدر الإشارة إلى أن جميع بدائيات النوى المسببة للأمراض هي بكتيريا ولا توجد عتائق ممرضة معروفة في البشر أو أي كائن حي آخر. تطورت الكائنات المسببة للأمراض جنبًا إلى جنب مع البشر. في الماضي ، لم يتم فهم السبب الحقيقي لهذه الأمراض ، واعتقدت بعض الثقافات أن الأمراض كانت عقابًا روحيًا أو كانت مخطئة في الأسباب المادية. بمرور الوقت ، أدرك الناس أن الابتعاد عن الأشخاص المصابين ، وتحسين الصرف الصحي ، والتخلص من الجثث والممتلكات الشخصية لضحايا المرض يقلل من فرصهم في الإصابة بالمرض.

منظور تاريخي

هناك سجلات للأمراض المعدية تعود إلى 3000 قبل الميلاد. تم توثيق عدد من الأوبئة الكبيرة التي تسببها البكتيريا على مدى عدة مئات من السنين. أدت بعض أكبر الأوبئة إلى تدهور المدن والثقافات. كان الكثير منها عبارة عن أمراض حيوانية المنشأ ظهرت مع تدجين الحيوانات ، كما في حالة مرض السل. مرض حيواني المنشأ هو مرض يصيب الحيوانات ولكن يمكن أن ينتقل من الحيوانات إلى البشر.

لا تزال الأمراض المعدية من بين الأسباب الرئيسية للوفاة في جميع أنحاء العالم. تأثيرها أقل أهمية في العديد من البلدان المتقدمة ، لكنها عوامل مهمة في تحديد معدل الوفيات في البلدان النامية. لقد أدى تطوير المضادات الحيوية إلى تقليل معدلات الوفيات من الالتهابات البكتيرية ، لكن الحصول على المضادات الحيوية ليس شاملاً ، وقد أدى الإفراط في استخدام المضادات الحيوية إلى تطوير سلالات مقاومة من البكتيريا. جهود الصرف الصحي العامة التي تتخلص من مياه الصرف الصحي وتوفر مياه الشرب النظيفة قد حققت الكثير أو أكثر من التقدم الطبي لمنع الوفيات الناجمة عن الالتهابات البكتيرية.

في عام 430 قبل الميلاد ، قتل وباء أثينا ربع القوات الأثينية التي كانت تقاتل في حرب البيلوبونيز الكبرى. قتل المرض ربع سكان أثينا في أكثر من 4 سنوات وأضعف هيمنة أثينا وقوتها. ربما تم تحديد مصدر الطاعون مؤخرًا عندما تمكن باحثون من جامعة أثينا من تحليل الحمض النووي من الأسنان المستردة من مقبرة جماعية. حدد العلماء تسلسل النوكليوتيدات من بكتيريا ممرضة تسبب حمى التيفود. 1

من عام 541 إلى 750 م ، أدى اندلاع يسمى طاعون جستنيان (من المحتمل أن يكون طاعونًا دبليًا) ، وفقًا لبعض التقديرات ، إلى القضاء على ربع إلى نصف عدد السكان. انخفض عدد السكان في أوروبا بنسبة 50 في المائة خلال هذه الفاشية. كان الطاعون الدبلي يقضي على أوروبا أكثر من مرة.

كان أحد أكثر الأوبئة تدميراً هو الموت الأسود (1346 إلى 1361) ، والذي يُعتقد أنه كان اندلاعًا آخر للطاعون الدبلي الناجم عن البكتيريا. يرسينيا بيستيس. تحمل هذه البكتيريا البراغيث التي تعيش على الفئران السوداء. أدى الموت الأسود إلى خفض عدد سكان العالم من حوالي 450 مليونًا إلى حوالي 350 إلى 375 مليونًا. ضرب الطاعون الدبلي لندن بقوة مرة أخرى في منتصف القرن السابع عشر. لا يزال هناك ما يقرب من 1000 إلى 3000 حالة طاعون على مستوى العالم كل عام. على الرغم من أن الإصابة بالطاعون الدبلي قبل المضادات الحيوية كانت تعني موتًا شبه مؤكد ، إلا أن البكتيريا تستجيب لعدة أنواع من المضادات الحيوية الحديثة ، كما أن معدلات الوفيات الناجمة عن الطاعون منخفضة للغاية الآن.

المفاهيم في العمل

شاهد فيديو عن الفهم الحديث للموت الأسود (الطاعون الدبلي) في أوروبا خلال القرن الرابع عشر.

على مر القرون ، طور الأوروبيون مقاومة للعديد من الأمراض المعدية. ومع ذلك ، جلب الغزاة الأوروبيون معهم البكتيريا والفيروسات المسببة للأمراض عندما وصلوا إلى نصف الكرة الغربي ، مما أدى إلى انتشار الأوبئة التي دمرت تمامًا سكان الأمريكيين الأصليين (الذين لم يكن لديهم مقاومة طبيعية للعديد من الأمراض الأوروبية).

أزمة المضادات الحيوية

تأتي كلمة مضاد حيوي من اليونانية مضاد، وتعني "ضد" ، و السير، تعني "الحياة". المضاد الحيوي هو مادة كيميائية ينتجها الكائن الحي ومضادة لنمو الكائنات الحية الأخرى. غالبًا ما تتناول الأخبار ووسائل الإعلام اليوم المخاوف بشأن أزمة المضادات الحيوية. هل المضادات الحيوية التي كانت تستخدم لعلاج الالتهابات البكتيرية يمكن علاجها بسهولة في الماضي أصبحت قديمة؟ هل توجد جراثيم خارقة جديدة - بكتيريا تطورت لتصبح أكثر مقاومة لترسانتنا من المضادات الحيوية؟ هل هذه بداية نهاية المضادات الحيوية؟ كل هذه الأسئلة تتحدى مجتمع الرعاية الصحية.

أحد الأسباب الرئيسية للبكتيريا المقاومة هو الإفراط في الاستخدام والاستخدام غير الصحيح للمضادات الحيوية ، مثل عدم إكمال دورة كاملة من المضادات الحيوية الموصوفة. يؤدي الاستخدام غير الصحيح للمضادات الحيوية إلى الانتقاء الطبيعي للأشكال المقاومة للبكتيريا. يقتل المضاد الحيوي معظم البكتيريا المسببة للعدوى ، وبالتالي تبقى الأشكال المقاومة فقط. تتكاثر هذه الأشكال المقاومة ، مما يؤدي إلى زيادة نسبة الأشكال المقاومة مقارنة بالأشكال غير المقاومة.

مشكلة أخرى هي الاستخدام المفرط للمضادات الحيوية في الثروة الحيوانية. يعزز الاستخدام الروتيني للمضادات الحيوية في علف الحيوانات مقاومة البكتيريا أيضًا. في الولايات المتحدة ، يتم تغذية 70 في المائة من المضادات الحيوية المنتجة للحيوانات. لا تستخدم المضادات الحيوية للوقاية من الأمراض ، ولكن لتعزيز إنتاج منتجاتها.

المفاهيم في العمل

شاهد تقريرًا شاملاً عن مشكلة الإدارة الروتينية للمضادات الحيوية للماشية والبكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية.

المكورات العنقودية الذهبية، غالبًا ما تسمى "العنقوديات" ، هي بكتيريا شائعة يمكن أن تعيش في جسم الإنسان وعليه ، والتي يمكن علاجها بسهولة بالمضادات الحيوية. ومع ذلك ، فقد ظهرت سلالة خطيرة للغاية في الأخبار على مدى السنوات القليلة الماضية (الشكل 13.7). هذه السلالة ، مقاومة للميثيسيلين المكورات العنقودية الذهبية (جرثومة MRSA)، مقاوم للعديد من المضادات الحيوية الشائعة الاستخدام ، بما في ذلك الميثيسيلين والأموكسيسيلين والبنسلين والأوكساسيلين. في حين أن عدوى MRSA كانت شائعة بين الأشخاص في مرافق الرعاية الصحية ، إلا أنها تظهر بشكل أكثر شيوعًا في الأشخاص الأصحاء الذين يعيشون أو يعملون في مجموعات كثيفة (مثل الأفراد العسكريين والسجناء). ال مجلة الجمعية الطبية الأمريكية ذكرت أنه من بين الأشخاص المصابين بجرثومة MRSA في مرافق الرعاية الصحية ، يبلغ متوسط ​​العمر 68 عامًا ، بينما يبلغ متوسط ​​عمر الأشخاص المصابين بجرثومة MRSA المرتبطة بالمجتمع (CA-MRSA) 23 عامًا. 2

باختصار ، يواجه المجتمع أزمة مضادات حيوية. يعتقد بعض العلماء أنه بعد سنوات من الحماية من العدوى البكتيرية بالمضادات الحيوية ، ربما نعود إلى وقت يمكن فيه لعدوى بكتيرية بسيطة أن تدمر البشر مرة أخرى. يعمل الباحثون على تطوير مضادات حيوية جديدة ، لكن القليل منها في طور تطوير الأدوية ، ويستغرق الأمر سنوات عديدة لإنتاج دواء فعال ومعتمد.

الأمراض المنقولة عن طريق الأغذية

بدائيات النوى موجودة في كل مكان: فهي تستعمر بسهولة سطح أي نوع من المواد ، والغذاء ليس استثناءً. تفشي العدوى البكتيرية المرتبطة باستهلاك الغذاء أمر شائع. المرض الذي ينتقل عن طريق الغذاء (يسمى بالعامية "التسمم الغذائي") هو مرض ينتج عن استهلاك طعام ملوث بالبكتيريا المسببة للأمراض أو الفيروسات أو الطفيليات الأخرى. على الرغم من أن الولايات المتحدة لديها واحدة من أكثر الإمدادات الغذائية أمانًا في العالم ، فقد أفاد مركز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC) أن "76 مليون شخص يمرضون ، وأكثر من 300000 يدخلون المستشفى ، ويموت 5000 أمريكي كل عام بسبب الأمراض المنقولة بالغذاء. . " 3

تغيرت خصائص الأمراض المنقولة بالغذاء بمرور الوقت. في الماضي ، كان من الشائع نسبيًا أن نسمع عن حالات متفرقة من التسمم الغذائي ، وهو مرض قاتل ينتج عن سم من البكتيريا اللاهوائية. كلوستريديوم البوتولينوم. خلقت العلبة أو البرطمان أو العبوة بيئة لاهوائية مناسبة حيث المطثية يمكن أن تنمو. أدت إجراءات التعقيم والتعليب المناسبة إلى تقليل حدوث هذا المرض.

ترتبط معظم حالات الأمراض المنقولة بالغذاء الآن بمنتجات ملوثة بمخلفات الحيوانات. على سبيل المثال ، كانت هناك فاشيات خطيرة مرتبطة بالإنتاج مرتبطة بالسبانخ الخام في الولايات المتحدة وبراعم الخضروات في ألمانيا (الشكل 13.8). أنتجت البكتيريا انتشار السبانخ الخام في عام 2006 بكتريا قولونية سلالة O157: H7. عظم بكتريا قولونية السلالات ليست خطيرة بشكل خاص على البشر (في الواقع ، إنها تعيش في أمعائنا الغليظة) ، لكن O157: H7 يحتمل أن تكون قاتلة.

من المحتمل أن تكون جميع أنواع الطعام ملوثة ببكتيريا ضارة من أنواع مختلفة. تفشي المرض في الآونة الأخيرة السالمونيلا التي ذكرت من قبل CDC حدثت في أطعمة متنوعة مثل زبدة الفول السوداني وبراعم البرسيم والبيض.

الاتصال الوظيفي

عالم الأوبئة

علم الأوبئة هو دراسة حدوث وتوزيع ومحددات الصحة والمرض بين السكان. وبالتالي ، فهي مرتبطة بالصحة العامة. يدرس عالم الأوبئة تواتر وتوزيع الأمراض داخل السكان والبيئات البشرية.

يقوم علماء الأوبئة بجمع البيانات حول مرض معين وتتبع انتشاره لتحديد طريقة الانتقال الأصلية. يعملون أحيانًا في تعاون وثيق مع المؤرخين لمحاولة فهم الطريقة التي تطور بها المرض جغرافيًا وعلى مر الزمن ، متتبعين التاريخ الطبيعي لمسببات الأمراض. إنهم يجمعون المعلومات من السجلات السريرية ومقابلات المرضى وأي وسيلة أخرى متاحة. تُستخدم هذه المعلومات لتطوير الاستراتيجيات وتصميم سياسات الصحة العامة لتقليل الإصابة بمرض أو لمنع انتشاره. يقوم علماء الأوبئة أيضًا بإجراء تحقيقات سريعة في حالة تفشي المرض للتوصية بإجراءات فورية للسيطرة عليه.

عادة ما يكون لدى علماء الأوبئة تعليم على مستوى الدراسات العليا. غالبًا ما يكون عالم الأوبئة حاصلًا على درجة البكالوريوس في بعض المجالات ودرجة الماجستير في الصحة العامة (MPH). العديد من علماء الأوبئة هم أيضًا أطباء (ولديهم دكتوراه في الطب) أو لديهم درجة الدكتوراه في مجال مرتبط ، مثل علم الأحياء أو علم الأوبئة.

بدائيات النوى المفيدة

ليست كل بدائيات النوى مسببة للأمراض. على العكس من ذلك ، لا تمثل مسببات الأمراض سوى نسبة صغيرة جدًا من تنوع عالم الميكروبات. في الواقع ، لن تكون حياتنا وكل أشكال الحياة على هذا الكوكب ممكنة بدون بدائيات النوى.

بدائيات النوى والأغذية والمشروبات

وفقًا لاتفاقية الأمم المتحدة بشأن التنوع البيولوجي ، فإن التكنولوجيا الحيوية هي "أي تطبيق تكنولوجي يستخدم أنظمة بيولوجية أو كائنات حية أو مشتقات منها ، لصنع أو تعديل منتجات أو عمليات لاستخدام محدد." 4 ينطوي مفهوم "الاستخدام المحدد" على نوع من التطبيق التجاري. تعد الهندسة الوراثية ، والاختيار الاصطناعي ، وإنتاج المضادات الحيوية ، وزراعة الخلايا من الموضوعات الحالية للدراسة في مجال التكنولوجيا الحيوية. ومع ذلك ، فقد استخدم البشر بدائيات النوى لإنشاء منتجات قبل حتى صياغة مصطلح التكنولوجيا الحيوية. وبعض السلع والخدمات بسيطة مثل الجبن واللبن والقشدة الحامضة والخل والنقانق المقددة ومخلل الملفوف والمأكولات البحرية المخمرة التي تحتوي على البكتيريا والعتائق (الشكل 13.9).

بدأ إنتاج الجبن منذ حوالي 4000 عام عندما بدأ البشر في تربية الحيوانات ومعالجة حليبها. تشير الدلائل إلى أن منتجات الألبان المزروعة ، مثل الزبادي ، كانت موجودة منذ 4000 عام على الأقل.

استخدام بدائيات النوى لتنظيف كوكبنا: المعالجة البيولوجية

ربما يكون أحد أكثر الأمثلة المفيدة والمثيرة للاهتمام لاستخدام بدائيات النوى لأغراض المعالجة الحيوية هو تنظيف الانسكابات النفطية. تم إثبات أهمية بدائيات النوى في المعالجة الحيوية للبترول في العديد من انسكابات النفط في السنوات الأخيرة ، مثل انسكاب Exxon Valdez في ألاسكا (1989) (الشكل 13.10) ، وانسكاب النفط Prestige في إسبانيا (2002) ، والتسرب في البحر الأبيض المتوسط ​​من محطة توليد كهرباء في لبنان (2006) ومؤخراً تسرب النفط من شركة بريتيش بتروليوم في خليج المكسيك (2010). لتنظيف هذه الانسكابات ، يتم تعزيز المعالجة الحيوية عن طريق إضافة العناصر الغذائية غير العضوية التي تساعد البكتيريا الموجودة بالفعل في البيئة على النمو. تتغذى البكتيريا المهينة للهيدروكربونات على الهيدروكربونات في قطرة الزيت ، فتكسرها إلى مركبات غير عضوية. بعض الأنواع مثل الكانيفوراكس بوركومينسيس، تنتج مواد خافضة للتوتر السطحي تعمل على إذابة الزيت ، بينما تحلل البكتيريا الأخرى الزيت إلى ثاني أكسيد الكربون. في حالة انسكاب النفط في المحيط ، تميل المعالجة البيولوجية الطبيعية المستمرة إلى الحدوث ، نظرًا لوجود بكتيريا تستهلك الزيت في المحيط قبل الانسكاب. في ظل الظروف المثالية ، تم الإبلاغ عن أن ما يصل إلى 80 في المائة من المكونات غير المتطايرة في الزيت يمكن أن تتحلل خلال عام واحد من الانسكاب. من الصعب إزالة أجزاء الزيت الأخرى التي تحتوي على سلاسل هيدروكربونية عطرية وعالية التشعب والبقاء في البيئة لفترات أطول من الوقت. قام الباحثون بإجراء هندسة وراثية لبكتيريا أخرى لاستهلاك المنتجات البترولية بالفعل ، وكان أول طلب براءة اختراع لتطبيق المعالجة الحيوية في الولايات المتحدة هو لبكتيريا آكلة للزيوت معدلة وراثيًا.

بدائيات النوى في وعلى الجسم

البشر ليسوا استثناءً عندما يتعلق الأمر بتكوين علاقات تكافلية مع بدائيات النوى. لقد اعتدنا على التفكير في أنفسنا ككائنات منفردة ، لكن في الواقع ، نحن نسير في أنظمة بيئية. عدد الخلايا البكتيرية والعتيقة التي تعيش في أجسامنا يزيد بمقدار 10 إلى 100 مرة عن عدد الخلايا الموجودة في أجسامنا. بعضها في علاقات متبادلة المنفعة معنا ، حيث يستفيد كل من المضيف البشري والبكتيريا ، بينما تصنف بعض العلاقات على أنها علاقة تعايش ، وهو نوع من العلاقة التي تستفيد فيها البكتيريا ولا يستفيد المضيف البشري ولا يتضرر. .

تعيش بكتيريا الأمعاء البشرية في الأمعاء الغليظة وتتكون من مئات الأنواع من البكتيريا والعتائق ، مع أفراد مختلفين يحتويون على أنواع مختلفة. مصطلح "فلورا" ، الذي يرتبط عادةً بالنباتات ، يُستخدم تقليديًا في هذا السياق لأن البكتيريا كانت تُصنف سابقًا على أنها نباتات. يبدو أن الوظائف الأساسية لهذه بدائيات النوى للبشر هي استقلاب جزيئات الطعام التي لا يمكننا تحطيمها ، والمساعدة في امتصاص الأيونات بواسطة القولون ، وتوليف فيتامين ك ، وتدريب جهاز المناعة عند الرضع ، والحفاظ على جهاز المناعة لدى البالغين ، الحفاظ على ظهارة الأمعاء الغليظة ، وتشكيل حاجز وقائي ضد مسببات الأمراض.

سطح الجلد مغطى أيضًا بدائيات النوى. توفر الأسطح المختلفة للجلد ، مثل الإبط والرأس واليدين ، موائل مختلفة لمجتمعات مختلفة من بدائيات النوى. على عكس نباتات الأمعاء ، لم تتم دراسة الأدوار المفيدة المحتملة لنباتات الجلد جيدًا. ومع ذلك ، فقد حددت الدراسات القليلة التي أجريت حتى الآن البكتيريا التي تنتج مركبات مضادة للميكروبات باعتبارها مسؤولة على الأرجح عن منع العدوى عن طريق البكتيريا المسببة للأمراض.

يدرس الباحثون بنشاط العلاقات بين الأمراض المختلفة والتغيرات في تكوين النباتات الميكروبية البشرية. يتم تنفيذ بعض هذا العمل من قبل مشروع Microbiome البشري ، الممول في الولايات المتحدة من قبل المعاهد الوطنية للصحة.


ملاحظات على التنوع في الكائنات الحية

تطوير فهم شامل لأساس مخططات التصنيف المقترحة من قبل مختلف العلماء.

فهم فائدة قبول نظام تصنيف الممالك الخمس الذي اقترحه آر إتش ويتاكر مع مزاياها وعيوبها.

تعرف على الاختلافات بين الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة والخلوية في الكائنات الحية.

Examples are very crucial in the study of diversity in the living world. Having the examples written in tabular forms of point-wise will help you in quick revision.

Refer to NCERT textbook for examples. Previous years&rsquo questions have shown that the examples have come directly from the NCERT text.

From the analysis of previous years&rsquo question papers, the animal kingdom becomes very important from the perspective of the number of questions.

Solve as many questions as possible. As the unit diversity in the living world gives a lot of factual information, it will be of great help that you prepare bullet notes from questions. This manner of reverse learning helps a lot with memorizing examples and facts.


مقدمة

Certain prokaryotes can live in extreme environments such as the Morning Glory pool, a hot spring in Yellowstone National Park. The spring’s vivid blue color is from the prokaryotes that thrive in its very hot waters. (credit: modification of work by Jon Sullivan)

In the recent past, scientists grouped living things into five kingdoms—animals, plants, fungi, protists, and prokaryotes—based on several criteria, such as the absence or presence of a nucleus and other membrane-bound organelles, the absence or presence of cell walls, multicellularity, and so on. In the late 20 th century, the pioneering work of Carl Woese and others compared sequences of small-subunit ribosomal RNA (SSU rRNA), which resulted in a more fundamental way to group organisms on Earth. Based on differences in the structure of cell membranes and in rRNA, Woese and his colleagues proposed that all life on Earth evolved along three lineages, called domains. The domain Bacteria comprises all organisms in the kingdom Bacteria, the domain Archaea comprises the rest of the prokaryotes, and the domain Eukarya comprises all eukaryotes—including organisms in the kingdoms Animalia, Plantae, Fungi, and Protista.

Two of the three domains—Bacteria and Archaea—are prokaryotic. Prokaryotes were the first inhabitants on Earth, appearing 3.5 to 3.8 billion years ago. These organisms are abundant and ubiquitous that is, they are present everywhere. In addition to inhabiting moderate environments, they are found in extreme conditions: from boiling springs to permanently frozen environments in Antarctica from salty environments like the Dead Sea to environments under tremendous pressure, such as the depths of the ocean and from areas without oxygen, such as a waste management plant, to radioactively contaminated regions, such as Chernobyl. Prokaryotes reside in the human digestive system and on the skin, are responsible for certain illnesses, and serve an important role in the preparation of many foods.


Metabolism of prokaryotic cells

Prokaryotic organisms have evolved a wide range of ways of to take energy from the environment. Compared to eukaryotic cells that have only evolved to transfer energy through photosynthesis and respiration, prokaryotic cells can obtain energy through photosynthesis, respiration, nitrogen fixation, denitrification, sulfate reduction and methanogenesis. These words may not mean anything to you but they illustrate the diversity of ways prokaryotic cells can take energy from their surrounding environment.


Introduction to Genome Biology and Diversity

Organisms display astonishing levels of cell and molecular diversity, including genome size, shape, and architecture. In this chapter, we review how the genome can be viewed as both a structural and an informational unit of biological diversity and explicitly define our intended meaning of genetic information. A brief overview of the characteristic features of bacterial, archaeal, and eukaryotic cell types and viruses sets the stage for a review of the differences in organization, size, and packaging strategies of their genomes. We include a detailed review of genetic elements found outside the primary chromosomal structures, as these provide insights into how genomes are sometimes viewed as incomplete informational entities. Lastly, we reassess the definition of the genome in light of recent advancements in our understanding of the diversity of genomic structures and the mechanisms by which genetic information is expressed within the cell. Collectively, these topics comprise a good introduction to genome biology for the newcomer to the field and provide a valuable reference for those developing new statistical or computation methods in genomics. This review also prepares the reader for anticipated transformations in thinking as the field of genome biology progresses.

الكلمات الدالة: Chromatin DNA DNA replication Epigenetics Eukaryotes Gene structure Organelles Organism diversity Plasmids Prokaryotes Protein RNA Regulatory DNA Transcription Translation Viruses.


Archaeal surprises and uncultivable bacteria

Studies focusing on the Archaeal domain of life provide a continuous wealth of biological information that challenges old dogmas and preconceived ideas. Archaea have distinct molecular characteristics, some resembling Bacteria (e.g. genome organization, cellular structure) and others Eukarya (e.g. transcriptional machinery). Genomics revealed that the archaeal DNA replication machinery is a simplified version of the eukaryotic DNA replication apparatus. Stephen Bell (MRC Cambridge, UK) and Magnus Lundgren (Uppsala University, Sweden) provided an elegant example of the degree of similarity in DNA replication between archaeal and eukaryotic cells. They described independent studies revealing that سلفولوبس possesses multiple replication origins ( Lundgren وآخرون., 2004 Robinson وآخرون، 2004). Thus, these findings abolish the dogma that all prokaryotic chromosomes have a single origin of replication.

By using microarray-based marker frequency analysis, Lundgren showed that bidirectional replication is initiated in the سلفولوبس chromosome from three separate origins in near synchrony ( Lundgren وآخرون، 2004). Furthermore, he showed that the replication forks of سلفولوبس advance at rates similar to those of eukaryotic replication forks (≈100 bp min −1 ) and much lower than بكتريا قولونية elongation rates (≈1000 bp min −1 ). M. Lundgren also reported that, in contrast to initiation, replication termination in سلفولوبس occurred asynchronously with certain replication forks still progressing over 40 min after the others had terminated.

Bell described the high resolution في المختبر و في الجسم الحي molecular characterization of two replication origins in Sulfolobus solfataricus using 2D gel analysis and replication initiation point mapping to reveal the precise initiation sites of bidirectional replication. He demonstrated that the three homologues in سلفولوبس of the eukaryotic initiator proteins Orc1 and Cdc6 have different specialized functions في الجسم الحي. DNA binding sites for Cdc6-like proteins exist in at least two of the replication origins of سلفولوبس. ال cdc6-1 gene is located close to one origin of replication (oriC1), whereas cdc6-3 is located close to a second origin (oriC2). Bell demonstrated that different subsets of Cdc6 proteins bind to oriC1 and oriC2 in the G1 to S growth-phase transition. Cdc6-1 binds to oriC1, whereas both Cdc6-1 and Cdc6-3 bind to oriC2. Interestingly, Cdc6-2 binds to the origins of replication in G2, preventing Cdc6-1 and Cdc6-3 from binding and therefore providing a model for the regulation of origin activity ( Dionne وآخرون., 2003 Robinson وآخرون., 2004 ).

The most extremophilic cells on earth, from hyperthermophiles growing above 80°C, to acidophiles growing below pH 3, or halophiles growing at 3 M KCl are all Archaea. David Prangishvili (University of Regensburg, Germany) showed that phages from Archaea also rival common prokaryotic viruses in terms of resistance to harsh environments, diverse morphologies and extraordinary genome composition ( Rachel وآخرون., 2002 Prangishvili and Garrett, 2004 ). In a systematic search for viruses in hot terrestrial environments of North America and Europe, Prangishvili and co-workers found 16 novel double-stranded DNA viruses from hyperthermophilic archaeal hosts (e.g. سلفولوبس, Acidianus, ثرموبروتيوس, البيروبكولوم). Electron microscopic studies revealed particles with different morphotypes, from filamentous, rod-shaped and head-and-tail viruses to novel morphotypes previously not observed in nature, like balloon-shaped, ampulla-shaped and lemon-shaped viral particles. To classify these bizarre phages, three novel virus families have been introduced: Globuloviridae, Ampullaviridae and Bicaudaviridae. Surprisingly, some bicaudavirus particles are capable of undergoing a dramatic extracellular morphogenesis by extending two tails at the tips of their lemon-like capsids at temperatures above 75°C.

The morphology of these hyperthermophilic viruses is not their only astonishing feature. The sequencing of their genomes unveiled that most (>90%) of their putative genes, and sometimes all their open reading frames (ORFs), have no significant matches in current DNA databases, and are therefore considered as of unknown function. This fact suggests that these hyperthermophilic viruses have found completely novel molecular solutions for their biological functions. It is tempting to speculate whether these ‘novel’ (unknown for us) molecular apparatuses are kept in these viruses as molecular fossils from primitive cells of thermophilic character.

Equally astonishing is the identification of Nanoarchaeum equitans reported by Harald Huber (University of Regensburg, Germany) ( Huber وآخرون. ، 2002). This extremely small microorganism (400 nm in diameter, representing 1% of the cell volume of بكتريا قولونية) was isolated as an obligate symbiont/parasite from new species of the hyperthermophilic chemolithoautotrophic Archaea إجنيكوس (a organism with an inner and outer membrane and a large periplasmic-like space). Cells of N. equitans are spherical and grow attached to the surface of إجنيكوس cells growing under anaerobic conditions at temperatures between 75 and 98°C (Fig. 3). جينوم N. equitans is only 0.49 Mb and lacks most biosynthetic and metabolic pathways. For instance, lipids from its cell membrane derived from the إجنيكوس inner membrane. لكن، N. equitans has a hexagonal S-layer. N. equitans represents a novel phylum of Archaea, the Nanoarchaeota, with unique 16S RNA sequences. Using specific primers for the signature sequences found in the 16S RNA genes of N. equitans, Huber and co-workers found evidence of a worldwide distribution of Nanoarchaeota ( Hohn وآخرون., 2002 Huber وآخرون., 2003 ).

Transmission electron micrograph of three cells of Nanoarchaeum equitans attached on the surface of an إجنيكوس cell (right). Platinum shadowed. Bar: 1 µm. (This electron micrograph was kindly provided by Harald Huber, University of Regensburg, Germany.)

Apart from Nanoarchaeota, the two classical phyla of Archaea are the Crenarchaeota and Euryarchaeota ( Forterre وآخرون. ، 2002). Indications of the existence of unculturable Archaea belonging to a third phylum, the Korarchaeota, have been obtained from environmental DNA sequences ( Barns وآخرون. ، 1996). Using a similar approach, Christa Schleper (Darmstadt University of Technology, Germany) reported the detection of novel phylogenetic lineages of uncultivated Crenarchaeota in low to moderate temperature, marine and terrestrial environments. Using 16S rDNA-based phylogenetic surveys, Schleper and co-workers found one particular lineage of crenarchaeota in most soil and water samples ( Ochsenreiter وآخرون. ، 2003). The use of 16S rDNA surveys has revealed that microbial diversity in soil is extremely high and current estimates suggest that > 99% of existing microorganisms have not been cultured or characterized. The Schleper lab has constructed complex large-insert metagenomic libraries from soil DNA to access the genomes of these uncultivable microorganisms, including the Crenarchaeota and Acidobacteria, a novel phylum of uncultivable Bacteria that is detected (by 16S rDNA screening) in many different habitats around the globe ( Quaiser وآخرون., 2002 2003 ).


Translation in Prokaryotes | علم الوراثة

The process by which proteins are produced with amino acid sequences specified by the sequence of codons in messenger RNA is called translation. Translation is the first stage of protein biosynthesis.

The main points about translation in prokaryotes are given below:

Translation occurs in the cytoplasm where the ribosomes are located. Ribosomes are made of a small and large subunit which surrounds the mRNA. In prokaryotic translation 70S ribosomes with 30S and 50S subunits are used. The mRNA is synthesized from DNA only. In prokaryotes, there are several initiation and termination sites.

In translation, messenger RNA (mRNA) is decoded to produce a specific polypeptide according to the rules specified by the genetic code. This uses an mRNA sequence as a template to guide the synthesis of a chain of amino acids that form a protein. Many types of transcribed RNA, such as transfer RNA, ribosomal RNA, and small nuclear RNA are not necessarily translated into an amino acid sequence.

The translation process requires mRNA, rRNA, ribosomes, 20 kinds of amino acids and their specific tRNAs.

In prokaryotes, three factors are involved in the initiation of translation [IF 1, IF 2 and IF 3], one factor in the elongation of polypeptide chain and three factors in chain termination [RF1, RF2 and RF3],

Two types of enzymes are used in translation. Aminoacyl tRNA synthetase (an enzyme) catalyzes the bonding between specific tRNAs and the amino acids. The enzyme peptidyl transferase connects A site and P site by forming a peptide bond [the nitrogen carbon bond] during elongation phase.

In the process of translation two types of codons, viz., start codon and stop codons are involved. The codon, AUG, initiates the process of translation and one of three stop codons i.e. UAA, UAG or UGA is used for chain termination.

7. Starting Amino Acid:

In prokaryotes, starting amino acid is N-formyl methionine. Moreover, there is overlapping of transcription and translation.

Mechanism of Translation in Prokaryotes:

Translation process consists of three major phases or stages, viz:

These are briefly discussed below:

This is the first phase of translation. Start or initiation codon [AUG] is responsible for initiation of translation process.

Initiation of translation in prokaryotes involves the assembly of the components of the translation system which are: the two ribosomal subunits (small and large), the mRNA to be translated, the first (formyl) aminoacyl tRNA (the tRNA charged with the first amino acid), GTP (as a source of energy), and three initiation factors (IF 1, IF 2 and IF 3) which help the assembly of the initiation complex.

The ribosome consists of three sites, the A site, the P site, and the E site. The A site is the point of entry for the aminoacyl tRNA (except for the first aminoacyl tRNA, fMet-tRNAF Met , which enters at the P site). The P site is where the peptidyl tRNA is formed in the ribosome. And the E site which is the exit site of the now uncharged tRNA after it gives its amino acid to the growing peptide chain.

Translation begins with the binding of the small ribosomal subunit to a specific sequence on the mRNA chain. Initiation of translation begins with the 50S and 30S ribosomal subunits. IF1 (initiation factor 1) blocks the A site to ensure that the IMet-tRNA can bind only to the P site and that no other aminoacyl-tRNA can bind in the A site during initiation, while IF3 blocks the E site and prevents the two subunits from associating.

IF2 is a small GTPase which binds fmet-tRNAF Met and helps its binding with the small ribosomal subunit. The 3′ end of the 16S rRNA of the small 30S ribosomal subunit recognizes the ribosomal binding site on the mRNA (Shine-Dalgarno sequence or SD), through its anti-SD sequence, 5-10 base pairs upstream of the start codon. The Shine-Dalgarno sequence is found only in prokaryotes.

This helps to correctly position the ribosome onto the mRNA so that the P site is directly on the AUG initiation codon. IF3 helps to position fMet-tRNAF met into the P site, such that fMet-tRNAF met interacts via base pairing with the mRNA initiation codon (AUG). Initiation ends as the large ribosomal subunit joins the complex causing the dissociation of initiation factors.

The small subunit binds via complementary base pairing between one of its internal subunits and the ribosome binding site. This site a sequence of about ten nucleotides on the mRNA. It is located anywhere from 5 and 11 nucleotides from the initiating codon [AUG],

After binding of the small subunit, a special tRNA molecule, called N-formyl methionine, or fMet, recognizes and binds to the initiator codon. Then the large subunit binds resulting in the formation of the initiation complex. As soon as the initiation complex is formed, the fMet-tRNA occupies the P site of the ribosome and the A site is left empty.

This entire initiation process is facilitated by extra proteins, called initiation factors that help with the binding of ribosomal subunits and tRNA to the mRNA chain.

This is the second phase or middle phase of translation. Elongation begins after the formation of the initiation complex. Elongation of the polypeptide chain involves addition of amino acids to the carboxyl end of the growing chain. The growing protein exits the ribosome through the polypeptide exit tunnel in the large subunit.

Elongation starts when the fmet-tRNA enters the P site, causing a conformational change which opens the A site for the new aminoacyl-tRNA to bind. This binding is facilitated by elongation factor-T4 (EF-T4), a small GTPase. Now the P site contains the beginning of the peptide chain of the protein to be encoded and the A site has the next amino acid to be added to the peptide chain.

The growing polypeptide connected to the tRNA in the P site is detached from the tRNA in the P site and a peptide bond is formed between the last amino acids of the polypeptide and the amino acid still attached to the tRNA in the A site.

This process, known as peptide bond formation, is catalyzed by a ribozyme, peptidyltransferase, an activity intrinsic to the 23S ribosomal RNA in the 50S ribosomal subunit. Now, the A site has newly formed peptide, while the P site has an unloaded tRNA (tRNA with no amino acids). In the final stage of elongation, translocation, the ribosome moves 3 nucleotides towards the 3′ end of mRNA.

Since tRNAs are linked to mRNA by codon-anticodon base-pairing, tRNAs move relative to the ribosome taking the nascent polypeptide from the A site to the P site and moving the uncharged tRNA to the E exit site.

This process is catalyzed by elongation factor G (EF-G). The ribosome continues to translate the remaining codons on the mRNA as more aminoacyl-tRNA binds to the A site, until the ribosome reaches a stop codon on mRNA(UAA, UGA, or UAG).

When the A site opens again, the next appropriate aminoacyl tRNA can bind there and the same reaction takes place, yielding a three-amino acid peptide chain. This process repeats, creating a polypeptide chain in the P site of the ribosome. A single ribosome can translate 60 nucleotides per second. This speed can be vastly augmented when ribosomes unite together to form polyribosomes.

This is the last phase of translation. Termination occurs when one of the three termination codons moves into the A site. These codons are not recognized by any tRNAs. Instead, they are recognized by proteins called release factors, namely RF1 (recognizing the UAA and UAG stop codons) or RF2 (recognizing the UAA and UGA stop codons).

These factors trigger the hydrolysis of the ester bond in peptidyl-tRNA and the release of the newly synthesized protein from the ribosome. A third release factor RF-3 catalyzes the release of RF-1 and RF-2 at the end of the termination process.


DNA Replication in Prokaryotes

The prokaryotic chromosome is a circular molecule with a less extensive coiling structure than eukaryotic chromosomes. The eukaryotic chromosome is linear and highly coiled around proteins. While there are many similarities in the DNA replication process, these structural differences necessitate some differences in the DNA replication process in these two life forms. DNA replication in prokaryotes has been extensively studied, so we will learn the basic process of prokaryotic DNA replication, then focus on the differences between prokaryotes and eukaryotes.

How does the replication machinery know where to start? اتضح أن هناك تسلسلات محددة من النوكليوتيدات تسمى أصول النسخ المتماثل حيث يبدأ النسخ المتماثل. بكتريا قولونية has a single origin of replication on its one chromosome, as do most prokaryotes (شكل 1). The origin of replication is approximately 245 base pairs long and is rich in AT sequences. This sequence of base pairs is recognized by certain proteins that bind to this site. انزيم يسمى هيليكس يفك الحمض النووي عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين أزواج القاعدة النيتروجينية. ATP hydrolysis is required for this process because it requires energy. عندما ينفتح الحمض النووي ، تسمى الهياكل على شكل Y شوكات النسخ المتماثل are formed (شكل 1). يتم تشكيل اثنين من شوكات النسخ المتماثل في أصل النسخ المتماثل ويتم تمديدهما ثنائي الاتجاه مع استمرار النسخ المتماثل. Single-strand binding proteins (Figure 2) coat the single strands of DNA near the replication fork to prevent the single-stranded DNA from winding back into a double helix.

شكل 1: DNA replication in prokaryotes, which have one circular chromosome.

The next important enzyme is DNA polymerase III, also known as DNA pol III, which adds nucleotides one by one to the growing DNA chain (Figure 2). The addition of nucleotides requires energy this energy is obtained from the nucleotides that have three phosphates attached to them. ATP structurally is an adenine nucleotide which has three phosphate groups attached breaking off the third phosphate releases energy. In addition to ATP, there are also TTP, CTP, and GTP. Each of these is made up of the corresponding nucleotide with three phosphates attached. When the bond between the phosphates is broken, the energy released is used to form the phosphodiester bond between the incoming nucleotide and the existing chain.

في بدائيات النوى ، تُعرف ثلاثة أنواع رئيسية من البوليميرات: DNA pol I و DNA pol II و DNA pol III. DNA pol III is the enzyme required for DNA synthesis DNA pol I is used later in the process and DNA pol II is used primarily required for repair (this is another irritating example of naming that was done based on the order of discovery rather than an order that makes sense).

DNA polymerase is able to add nucleotides only in the 5′ to 3′ direction (a new DNA strand can be only extended in this direction). It requires a free 3′-OH group (located on the sugar) to which it can add the next nucleotide by forming a phosphodiester bond between the 3′-OH end and the 5′ phosphate of the next nucleotide. هذا يعني بشكل أساسي أنه لا يمكن إضافة النيوكليوتيدات إذا لم تتوفر مجموعة 3 & # 8242-OH المجانية. ثم كيف تضيف النوكليوتيدات الأولى؟ The problem is solved with the help of a التمهيدي that provides the free 3′-OH end. Another enzyme, RNA primase, synthesizes an RNA primer that is about five to ten nucleotides long and complementary to the DNA. RNA primase does not require a free 3′-OH group. لأن هذا التسلسل يهيئ تركيب الحمض النووي ، فإنه يسمى بشكل مناسب التمهيدي. DNA polymerase can now extend this RNA primer, adding nucleotides one by one that are complementary to the template strand (الشكل 2).

الشكل 2 تتشكل شوكة النسخ عندما تفصل الهليكاز خيوط الحمض النووي عند أصل النسخ المتماثل. يميل الحمض النووي إلى الالتفاف بدرجة أكبر قبل شوكة النسخ المتماثل. Topoisomerase breaks and reforms DNA’s phosphate backbone ahead of the replication fork, thereby relieving the pressure that results from this supercoiling. ترتبط بروتينات الربط أحادية الخيط بالحمض النووي أحادي السلسلة لمنع إعادة تشكيل الحلزون. يقوم Primase بتجميع مادة RNA التمهيدي. يستخدم DNA polymerase III هذا التمهيدي لتجميع خيط DNA الابنة. على الخيط الرئيسي ، يتم تصنيع الحمض النووي بشكل مستمر ، بينما على الشريط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة تسمى شظايا أوكازاكي. بوليميريز الحمض النووي 1 يستبدل الحمض النووي الريبي التمهيدي بالحمض النووي. يقوم DNA ligase بسد الفجوات بين شظايا Okazaki ، وربط الأجزاء في جزيء DNA واحد. (الائتمان: تعديل العمل لماريانا رويز فيلاريال)

تتحرك شوكة النسخ بمعدل 1000 نيوكليوتيد في الثانية. DNA polymerase can only extend in the 5′ to 3′ direction, which poses a slight problem at the replication fork. As we know, the DNA double helix is anti-parallel that is, one strand is in the 5′ to 3′ direction and the other is oriented in the 3′ to 5′ direction. One strand, which is complementary to the 3′ to 5′ parental DNA strand, is synthesized continuously towards the replication fork because the polymerase can add nucleotides in this direction. يُعرف هذا الخيط المركب باستمرار باسم الساحل الرئيسي. The other strand, complementary to the 5′ to 3′ parental DNA, is extended away from the replication fork, in small fragments known as شظايا أوكازاكي، كل منها يتطلب برايمر لبدء التوليف. Okazaki fragments are named after the Japanese scientist who first discovered them. The strand with the Okazaki fragments is known as the حبلا متخلفة.

The leading strand can be extended by one primer alone, whereas the lagging strand needs a new primer for each of the short Okazaki fragments. سيكون الاتجاه العام للحبلة المتأخرة 3 & # 8242 إلى 5 & # 8242 ، والاتجاه العام للخيط الرئيسي 5 & # 8242 إلى 3 & # 8242. بروتين يسمى sliding clamp يحمل بوليميراز الحمض النووي في مكانه حيث يستمر في إضافة النيوكليوتيدات. المشبك المنزلق عبارة عن بروتين على شكل حلقة يرتبط بالحمض النووي ويثبت البوليميراز في مكانه. توبويزوميراز prevents the over-winding of the DNA double helix ahead of the replication fork as the DNA is opening up it does so by causing temporary nicks in the DNA helix and then resealing it. As synthesis proceeds, the RNA primers are replaced by DNA pol I, which breaks down the RNA and fills the gaps with DNA nucleotides. The nicks that remain between the newly synthesized DNA (that replaced the RNA primer) and the previously synthesized DNA are sealed by the enzyme ligase DNA that catalyzes the formation of phosphodiester linkage between the 3′-OH end of one nucleotide and the 5′ phosphate end of the other fragment.

(Lisa’s note: I think this process is almost impossible to visualize from reading text. I strongly recommend that you watch a couple of animations / videos like the one available here. There are additional links in Blackboard)

بمجرد أن يتم تكرار الكروموسوم بالكامل ، تنتقل نسختا الحمض النووي إلى خليتين مختلفتين أثناء انقسام الخلية. يمكن تلخيص عملية تكرار الحمض النووي على النحو التالي:

  1. يستريح الحمض النووي عند أصل التكرار.
  2. Helicase opens up the DNA-forming replication forks these are extended in both directions.
  3. تقوم بروتينات الربط أحادية الخيط بتغطية الحمض النووي حول شوكة النسخ المتماثل لمنع إعادة لف الحمض النووي.
  4. Topoisomerase binds at the region ahead of the replication fork to prevent supercoiling (over-winding).
  5. يصنع Primase مواد أولية من RNA مكملة لخيط DNA.
  6. DNA polymerase III starts adding nucleotides to the 3′-OH (sugar) end of the primer.
  7. يستمر استطالة كل من الخيط المتأخر والرائد.
  8. RNA primers are removed and gaps are filled with DNA by DNA pol I.
  9. The gaps between the DNA fragments are sealed by DNA ligase.

Table 1: The enzymes involved in prokaryotic DNA replication and the functions of each.

استنساخ الحمض النووي بدائية النواة: الإنزيمات ووظائفها
إنزيم / بروتين وظيفة محددة
بول أنا Exonuclease activity removes RNA primer and replaces with newly synthesized DNA
DNA pol II Repair function
DNA pol III الإنزيم الرئيسي الذي يضيف النيوكليوتيدات في الاتجاه 5 & # 8242-3 & # 8242
هيليكاس يفتح حلزون الحمض النووي عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين القواعد النيتروجينية
ليجاس يسد الفجوات بين شظايا أوكازاكي لإنشاء خيط DNA مستمر
بريماز يقوم بتركيب الاشعال RNA اللازمة لبدء النسخ المتماثل
انزلاق المشبك يساعد على تثبيت بوليميراز الحمض النووي في مكانه عند إضافة النيوكليوتيدات
توبويزوميراز Helps relieve the stress on DNA when unwinding by causing breaks and then resealing the DNA
بروتينات الربط أحادية الخيط (SSB) Binds to single-stranded DNA to avoid DNA rewinding back.

DNA replication has been extremely well-studied in prokaryotes, primarily because of the small size of the genome and large number of variants available. الإشريكية القولونية has 4.6 million base pairs in a single circular chromosome, and all of it gets replicated in approximately 42 minutes, starting from a single origin of replication and proceeding around the chromosome in both directions. هذا يعني أنه يتم إضافة ما يقرب من 1000 نيوكليوتيد في الثانية. The process is much more rapid than in eukaryotes.


شاهد الفيديو: العلوم المتقدمة: البنية الخلوية (ديسمبر 2022).