Prokarioto

Prokariotoak (grezieratik πρό-, pro-, "lehen, aurre" + καρυόν, karyon "intxaur" edo "hazi", zelula nukleoa adierazteko) nukleogabeko zelulabakarrez eratutako izakiak dira^[1]. Eukariotoak ordea, nukleodun zelulez eratutako izakiak dira. Arkeobakterioak eta bakterioak prokariotoak dira. Sailkapen honi (Eukaryota, Archaea eta Bacteria) hiru domeinu sistema deitzen zaio^[2].

Sarrera

Gaur egun ezagutzen diren zelula guztiak bi motatakoak dira:

Prokariotoak
Eukariotoak

Zelula prokariotoen antolamendua eukariotikoarena baino sinpleagoa da. Izan ere bere izenak adierazten duen moduan, prokariotoak (nukleorik gabeko zelulak) beti eukariotoekin konparatuz (benetako nukleoa dutenak) definitu egin dira^[3]; gainera eukariotoak, konplexuagoak izateaz gain, goi-mailako organismoak osatzen dituzten zelulak dira. Hori dela eta, prokariotoak bigarren mailako zelulak moduan ikusi egin dira. Egia da prokariotoaren egitura oso sinplea dela, baina prokariotoek izugarrizko gaitasun metabolikoak dauzkate, Lurraren leku guztiak kolonizatu egin dituzte, bortitzenak ere, kopuruaren aldetik organismo ugarienak dira eta garrantzitsuenak, ezinbestekoak dira lurrean bizi garen organismo eukariotoen iraupenerako.

Antolamendua

Zelula prokarioto guztiak bakterioak dira. Bakterioak, oro har, izaki zelulabakarrak eta mikroskopikoak dira. Itxuraz honelaxe sailka daitezke:

Esferikoak (kokoak)
Luzatuak (makila-itxura edo baziloak)
Helikoidalak (espirilioak)

Bakterio-zelula tipikoa konpartimentu bakar batez osatuta dago, zitoplasmaz hain zuzen. Zitoplasman egitura gutxi bereizten dira. Elementu zitoplasmatiko nabarienak bakterio-genoma (DNA) eta erribosomak dira^[4]; azken hauek oso ugariak dira (30.000-50.000) eta, eukariotikoak baino txikiagoak izan arren, egitura eta funtzioari dagokionez berdinak dira.

ADNaren erreplikazioa, transkripzio eta proteinen sintesia zitoplasman gertatzen dira, eta baita erreakzio metaboliko asko ere. DNA eta erribosomez gain RNA molekulak, proteinak eta prozesu zelularrak burutzeko hainbat molekula txiki daude zitoplasman.

Konpartimentu zitoplasmatikoa zelula mintza mugatuta dago. Bakterio askotan mintz plasmatikoan kokatzen dira energia lortzeko beharrezkoak diren proteinak, beraz prozesu zelular garrantzitsu batzuk mintzean burutzen dira. Gehienetan mintzaren gainetik badago beste estalki bat, zelula horma hain zuzen. Bestalde, bakterioaren azalean batzuetan luzakinak egon daitezke, hala nola, flageloak, zelularen mugimendua eragiteko; edo finbriak, atxikipen-prozesuetan inplikaturiko egiturak.

Bakterioen genoma

Bakterioen genoma gatza molekula zirkularra izaten da eta nahiko txikia, genoma eukariotikoekin konparatuz. DNA sekuentzia gehiena RNA molekuletan transkribatzen da; esan dezakegu beraz, genoma osoa genez okupatuta dagoela. Geneak lerrotzen dira bata bestearen atzean eta DNAren bi harizpietan egon daitezke. Bakterio gehienek 1000-4000 gene izaten dituzte. Escherichia coli (E. coli) putaduna]]ak esate baterako, hobeto ezagutzen den bakterioak, 4289 gene dauzka. Sekuentzia erregulatzaileak ordea, hau da, geneen adierazpena kontrolatzen dituztenak, oso urriak dira bakterio-genometan.

Aurkitu den genomarik txikiena Mycoplasma genitalium bakterioarena da, bakarrik 468 proteina ezberdinak kodetzeko informazioa dauka. Mikoplasmak bakteriorik sinpleenak dira, hortaz, gaur egun existitzen diren zelularik sinpleenak. Ez dute horma zelularrik, oso txikiak dira, bizkarroiak eta batzuek eragile patogenoak dira (gizakiarengan pneumonia eragiten dute). Bestalde batzuetan zelula prokariotoek genomaren kopia bat baino gehiago gordetzen dituzte. Badirudi egoera hau oso erabilgarria izan daitekeela mutazioak eliminatzeko: kopia normalaren sekuentzia erabil daiteke DNA molekula akastuna konpontzeko.

Zelula horma

Bakterio gehienek mintzaren gainetik bigarren estalki bat agertzen dute: zelula horma hain zuzen. Hormak zelularen barruko presio osmotikoa jasaten du (presio osmotikoa, metabolitoen kontzentrazioagatik askoz handiagoa da barruan kanpoan baino), eta horrela apurtzeko arriskutik babesten dio zelulari. Gainera euskarri mekaniko gisa jokatzen du zelularen itxura mantenduz eta beste zelulekiko elkarrekintzak baimenduz. Beste aldetik, ikuspuntu medikutik, paretak garrantzi handia dauka zeren eta antibiotiko gehienek, bakterio infekziosoen aurka erabiltzen diren sendabideek, horma zelularra desegiten baitute.

Horma bakterianoa mintz plasmatikoa baino askoz lodiagoa da. Bi horma zelular mota bereizten dira, bakoitzaren osagaiak eta egitura ezberdinak izanik:

Gram-positibo: Horma-mota bat nahiko lodia eta trinkoa da, geruza bakar batez osatua, eta mintz plasmatikoari guztiz itsatsita azaltzen da. Bere osagairik ugariena peptidoglikanoa da.
Gram-negatibo: Beste mota bi geruzez osatuta dago: barnekoa, finagoa dena eta mintz plasmatikoari loturik dagoena, peptidoglikanoez osaturik dago. Bigarrena, kanpokoa, lodiagoa da eta mintz plasmatikoarekin antza dauka, hala ere egitura eta konposizioa desberdinak.

Horma-motaren arabera bakterioak modu desberdinez tindatzen dira eta irizpide honen arabera bakterioetan bi talde bereizten dira: gram positiboak eta gram negatiboak. Lehenak euren pareta zurrunagatik tindatzen dira gram tindaketa metodoa erabiltzen denean; besteak ordea, peptidoglikanozko geruza finagoa dutenez, tindakaria galtzen dute.

Ugalketa

Bakterioen ezaugarri harrigarrienetako bat ugalketa gaitasuna da. Elikagaien murriztapena ez badago, 1-3 orduko zatitzen dira. E. coli-ren bikoizpen-tasa esateko 20 minutukoa da, baldintza ezin hobeak baldin badira. Ugalketa-tasa hau kontuan hartuz 24 ordutan zelula bakar batetatik milioi batzuk sortuko lirateke.

Ugalketaren mekanismoa oso sinplea da: zelularen erdian inbaginazio bat sortzen da, konstrikzio hau gero eta sakonago egiten da, eta azkenik zelula bitan banatzen da. Zelularen fisioa gertatu baino lehen genoma bikoiztu egin da. Bikoiztu ondoren DNA molekula mintz plasmatikoari lotuta geratzen da, badirudi horrela DNA molekula berriak errazago banatzen direla bi zelula alabetan. Ugalketa-mota hau asexuala da, hau da, ez dago material genetikoren elkartrukerik eta sortzen diren bi zelula alaba berdin-berdinak dira.

Inguruneko baldintzak txarrak badira zenbait zelula prokariotok ugaldu gabe luzaroan egon daitezke (ehun urte baino gehiago). Era berean bakterio batzuek endosporak sor ditzakete. Endosporak zelularen barruan sortzen diren erresistentzia-egiturak dira: jarduera metabolikoa blokeatuta dago eta horrela muturreko tenperatura eta lehortasuna jasan dezakete. Inguruneko baldintzak aldatu direnean endospora metabolikoki aktibo bihurtzen da, ugaltzen da eta bakterio berriak sortzen ditu.

Plasmidoak

Sakontzeko, irakurri: «plasmido»

Bakterioek batez ere ugalketa asexuala erabiltzen dutenez pentsa liteke bakterio genoma gutxi aldatzen dela; gauzak, ordea, ez dira horrela. Izan ere emandako bakterio-espezie batean gene-aldakortasun maila –espeziearen gene aukera nahiko altua izan daiteke. Organismo eukarioto gehienetan gene-aldakortasuna lortzen da mutazioen bidez eta ugalketa sexualaren bidez, non bi gene-multzo desberdin batzen baitira. Prokariotoetan badago beste mekanismo bat: geneen transferentzia horizontala, hau da, DNA zatien elkartrukeak bai espezie bereko bakterioen artean bai espezie desberdinen artean ere. DNA zatien garraiatzaileak birusak izan daitezke. Birusak bakterio batean sartzen direnean genoma birikoa sar daiteke bakterio-genoman; gero, askatzen denean, bakterioaren gene bat edo batzuk lotuta eraman daitezke eta beste bakterio bati garraiatuko dizkiote; horrela bigarren bakterioak gene berriak eskuratuko ditu.

Genoma birikoa zelularen zitoplasman aske ere gera daiteke, hauek plasmidoak ditugu, DNA molekula oso txikiak eta zirkularrak. Plasmidoek ere geneen garraiatzaile moduan jokatzen dute. Geneen transferentzia horizontalak garrantzia handia izan du bakterioen eboluzioan, gaitasun berriak garatzeko eta bakterio-mota desberdinak sortzeko. Ikuspuntu medikutik ere fenomeno hau oso garrantzitsua da: honetan datza antibiotikoen kontrako erresistentzien agerpena. Antibiotikoak bakterioak eliminatzeko erabiltzen diren produktuak dira, baina mutazio baten ondorioz, bakterioa antibiotikoarekiko erresistente bihur daiteke, hau da, antibiotikoaren eragin toxikoa gainditzea lortzen du. Gaitasun berri hau plasmidoen bidez bakterioen artean barreiatzen da, eta ondorioz, oso epe laburrean, antibiotikoaren eraginkortasuna murriztuta geratuko da.

Metabolismoa

Historia ebolutiboan zehar bakterioen dibertsifikatzea izugarria izan da. Egiturari dagokionez oso gutxi aldatu egin dira, orduan. Bakterioek energia lortzeko eta osagai zelularrak eraikitzeko erreakzio metaboliko anitz asmatu egin dituzte.

Gaur egun ezagutzen diren bakterio gehienek arnasketa erabiltzen dute energia sortzeko: oxigenoaren laguntzaz materia organikoa oxidatzen da CO2 askatuz eta ATP sortuz. Hauek prokarioto heterotrofoak eta aerobioak dira. Anaerobioek ere molekula organikoen oxidazioz atera dezakete energia baina oxigenorik erabili gabe. Talde honetan hartzidurak betetzen dituztenak sartzen dira. Bakterio-mota guztiak kontuan izanik esan dezakegu ia edozein molekula erabil dezaketela materia organikoaren iturri moduan: azukreak, aminoazidoak, hidrokarburoak,... baita metanoa ere.

Bakterio batzuek ez dute molekula organikoen beharrik, hauek autotrofoak dira: beraiek materia organikoa sintetizatzen dute CO2 atmosferikoa erabiliz. CO2 finkapenak energia eskatzen du eta bakterioek estrategia ugari garatu dituzte energia hori lortzeko. Autotrofo batzuek argi energia erabiltzen dute; hauek, beraz, fotosintesia burutzen dute; baina bakterio autotrofo ez-fotosintetizatzaileak ere badaude: energia materia ez-organikoaren oxidaziotik ateratzen dute. CO2 finkapenaz gain zenbait bakterio nitrogenoaren finkapena burutzeko gai dira. Funtzio metaboliko hau bereziki garrantzitsua da nitrogenoa molekula biologikoetan sartzeko modu bakarra baita. Azkenik aipatu behar dugu beren jarduera metabolikoaren ondorioz zenbait bakterio produktu espezifikoen ekoizleak direla: ak esateko sufre elementala ekoizten dute (SH2-aren oxidazioz) eta metanogenoak metanoa sortzen dute.

Zianobakterioak

Sakontzeko, irakurri: «Zianobakterio»

Prokariotoen artean fotosintesi-mota desberdin daude batez ere karbonoa finkatzeko erabiltzen den gaitasun erreduktorearen iturriaren arabera. Zenbait bakteriok, landare-zelulak egiten duten moduan, ur molekuletatik ateratzen dute gaitasun erreduktorea. Hauek zianobakterioak dira: zelula hauek ur molekulak apurtzen dituzte; hidrogenoa CO2 erreduzitzeko erabiltzen dute eta oxigenoa hondakin bezala askatzen dute. Bide fotosintetiko berbera landare-zelulen organulu espezifikoetan, kloroplastoetan hain zuzen, burutzen da. Izan ere gaur egun onartzen da zianobakterioak kloroplastoen aitzindariak direla.

Zianobakterioak egiturari dagokienez bakteriorik konplexuenak dira. Tamainaz handiagoak dira eta zitoplasman mintz asko pilatuta gordetzen dituzte; barne-mintz hauek tilakoideak deritze. Tilakoideetan hain zuzen kokatuta daude fotosistemak eta klorofila, fotosintesia burutzeko beharrezkoak diren proteina-konplexuak eta pigmentu berdea.

Elkarte zelula-anitzak

Bakterioak betidanik izaki zelulabakar moduan definitu egin dira. Hala ere bakterioz osatutako zenbait elkarte multizelular aspalditik ezagutzen ziren: zianobakterioak esate baterako, zuntzezko egiturak sortzen dituzte ; era berean, Myxobacterium bakterioak 100.000 zelulez osatutako eta esporak gordetzen dituzten erresistentzia-egiturak sortzeko gai dira. Luzaroan onartu da egitura hauek salbuespenak besterik ez direla, baina gaur egun, paradigma hau aldatzen ari da: badirudi bakterio asko libre bizi direnean behintzat (eta ez laborategiko baldintzetan) elkartu eta egitura antolatuak sortzeko gai direla. Egitura hauek “biofilmak” deitzen dira euskarri solido batean sortzen direnean^[5].

Bakterio-elkarteek agerian utzi dute zelula prokariotoen arteko komunikazioaren garrantzia. Badirudi bakterio-elkarteak zelula indibidualek ekoiztutako seinaleen eraginez antolatzen direla: seinaleek zelulen gene adierazpena aldatzen dute eta ondorioz zelulen portaera ere aldatzen da. Izatez bakterio-elkarteek gaitasun berriak azal ditzakete: biofilmak moduan gure ahoan hazten diren bakterio patogenoak erresistenteagoak dira eta beren eliminazioa askoz zailagoa izango da. Honen guztiaren ondorioz gaur egun bakterioak izaki sozialak moduan ikusten hasi gara^[6]^[7].

Kolonizazio gaitasuna

Beren aniztasun metabolikoari esker bakterioak edozein lekutan bizi daitezke. Zianobakterioek esateko mundu osoa kolonizatu egin dute: gure bainugelan daude eta baita putzuak estaltzen dituzten bakterio-alfonbra berdeak osatuz ere. Zenbait bakterio organismo baten barruan bizi izaten dira: E. coli gure hestean aurki daiteke. Beste batzuek, klamidiak esateko, zelula eukariotoen barruan bizi izan behar dute.

Bestalde bakterioak muturreko baldintzak aurkezten dituzten ingurunetan aurkitu egin dira^[8]^[9]:

ezohiko pH azidoa izaten duten ingurunetan
sumendietan bizi diren bakterio azidofiloak esateko
isuri termaletan, izugarrizko tenperatura altuetan (batzuek 100 °C baino gehiago jasaten dute)
izotzetan, oso tenperatura baxuetan
laku gazietan (izan ere halobakterioek oso gazitasun altua behar dute bizi ahal izateko)
lurpean, 4 km-ko sakoneran; edo altitude handienetan.

Ozeanoetan ere bakterioak oso ugariak dira. Gainera itsasoaren hondoan, 3.000 metroko sakoneran, bakterioak aurkitu dira. Hauek itsaspeko geyserren ondoan bizi dira, 150°C-tan eta ingurune honetan hazi eta ugaltzeko ez ezik, beste organismo eukariotiko eta multizelularrak sustatzeko ere gai dira.

Sailkapena: bacteria (eubakterioak) eta archaea (arkebakterioak)

Klasikoki bakterioen sailkapena irizpide biokimikoak erabiliz burutu egin da, bakterioen metabolismoaren arabera: bakterio fotosintetizatzaile berdeak, metano-bakterioak, sufre-bakterioak, eta abar; baina sailkapen honek ez du islatzen bakterioen arteko erlazio ebolutiboa. 70. hamarkadan beste estrategi bat hasi zen erabiltzen: nukleotido-sekuentzien analisia. Metodo honetan denboran zehar DNA molekuletan metatu diren mutazioak kontuan hartzen dira: aldaketa-kopuruak adierazten digu zein den bi espezieren arteko distantzia ebolutiboa^[10]. Metodo hau erabiliz agerian geratu da mundu prokariotikoan bi talde daudela:

bacteria: eubakterioak edo benetako bakterioak
archaea: arkeoak.

Bi talde hauen arteko distantzia ebolutiboa prokarioto eta eukariotoen artean dagoena bezain handia da; izan ere zenbait ezaugarriri dagokionez arkeoak eta eukariotoak gertuago daude

Egiturari dagokionez agian nabariena mintz-lipido desberdinak izatea da (kate hidrokarbonatuak esateko, ez dira gantz azidoak). Bestalde, gai genetikoak eta oro har prozesu genetikoek eukariotoen zenbait ezaugarri izaten dituzte. Bizimoduaren aldetik arkeo batzuk metanogenoak dira (behien digestio-aparatuan sortzen den metanoa arkeoek ekoizten dute), eta asko muturreko baldintzak jasateko gai dira: asko anaerobioak, termofiloak edota halofiloak dira. Ezaugarri hauengatik hasieran pentsatu zen arkeoak prokarioto primitiboenak izango zirela (izan ere honetatik dator izena)^[11]^[12]^[13]. Hala ere azken urteotan agertu da pentsatu zen baino askoz hedatuta daudela: eubakterioek okupatzen dituzten leku arruntetan ere hasi dira aurkitzen. Ozeanoan esateko, arkeo asko aurkitu egin dira. Posible da beraz, datorren urteotako aurkikuntzek mundu prokariotikoari buruz dugun ikuspegia zeharo aldatuko dutela. Izan ere ikerlari askoren ustez ezagutzen diren bakterio-motak batez ere laborategian kultiba daitezkeenak dira, baina azken estimazioen arabera bakterio horiek espezie prokariotiko guztietatik %1a besterik ez litzateke izango.

Kaltegarriak ala onuragarriak?

Bakteriorik ezagunenetariko batzuk patogenoak dira. Hau logikoa da: mende askotan zehar bakterioek sortutako gaixotasunek (sifiliak, izurriak...) ondorio ikaragarriak izan dituzte. Egoera hau zeharo aldatu da antibiotikoen agerpenarekin, hala ere bakterio infekzioek osasun-arazo handia izaten jarraitzen dute. Oso ezagunak badira ere, espezie prokariotiko guztiak kontuan izanik, bakterio patogenoak gutxi dira; askoz gehiago onuragarriak dira. Alde batetik bakterioen jarduerak biosferan duen eragina funtsezkoa da. Bakterioak elementu kimikoen birziklapenean parte hartzen dute: nitrogenoaren finkatzaileak esateko ezinbestekoak dira molekula organiko nitrogenodunak sortzeko; era berean sufre bakterioak sufrearen ekoizle nagusiak dira. Bestalde bakterioen gaitasun metabolikoak industrialki aplika daitezke produktu asko ekoizteko. Era berean ekologia arloan bakterioak oso lagungarriak izan daitezke: oso produktu toxiko edo kaltegarriak metabolizatu ahal dituzte eta ondorioz eliminatu. Azkenik aipatzekoa da arkeoak bereziki erabilgarri suertatu egin direla. Muturreko baldintzetan bizi direnez beren osagaiek oso ezaugarri molekular interesgarriak azaltze dituzte. Tenperatura altua jasaten duten entzimek esate baterako aplikazio asko daukate hainbat arlotan eta bereziki bioteknologian: polimerasaren katea-erreakzioa, PCR teknika ospetsua hain zuzen, Thermus aquaticus arkeotik lortutako entzima termoegonkor bati esker (Taq polimerasari esker) lortu zen garatzea.

Erreferentziak

↑ Kaiser D "Coupling cell movement to multicellular development in myxobacteria" Nat. Rev. Microbiol. 45–54. orr. 2003ko urria
↑ Woese CR "There must be a prokaryote somewhere: microbiology's search for itself" Microbiol. Rev. 1–9. orr. 1994ko martxoa online
↑ Sapp J "The prokaryote-eukaryote dichotomy: meanings and mythology" Microbiol. Mol. Biol. Rev. 292–305. orr. 2005eko ekaina online
↑ Thanbichler M, Wang S, Shapiro L "The bacterial nucleoid: a highly organized and dynamic structure" J Cell Biochem 506–521. orr. 2005
↑ Costerton JW, Lewandowski Z, Caldwell DE, Korber DR, Lappin-Scott HM "Microbial biofilms" Annu. Rev. Microbiol. 711–745. orr. 1995 online
↑ Shapiro JA "Thinking about bacterial populations as multicellular organisms" Annu. Rev. Microbiol. 81–104. orr. 1998 online
↑ Hamilton WD "The genetical evolution of social behaviour. II" J. Theor. Biol. 17–52. orr. 1964ko uztaila online
↑ McSween HY "Evidence for life in a martian meteorite?" GSA Today 1–7. orr. 1997
↑ McKay DS, Gibson EK, Thomas-Keprta KL, et al "Search for past life on Mars: possible relic biogenic activity in martian meteorite ALH84001" Science 924–930. orr. 1996ko abuztua online
↑ Zimmer C "Origins. On the origin of eukaryotes" Science 666–668. orr. 2009ko abuztua
↑ Brown, J.R. "Ancient Horizontal Gene Transfer" Nature Reviews Genetics 121–132. orr. 2003ko otsaila
↑ Forterre P, Philippe H "Where is the root of the universal tree of life?" Bioessays 871–879 1999ko urria
↑ Poole, Anthony, Jeffares, Daniel, Penny, David "Early evolution: prokaryotes, the new kids on the block" Bioessays 880–889. orr. 1999ko iraila

Ikus, gainera

Bakterio

Kanpo estekak

Datuak: Q19081
Multimedia: Procaryota / Q19081
Espezieak: Prokaryota

[1] Kaiser D "Coupling cell movement to multicellular development in myxobacteria" Nat. Rev. Microbiol. 45–54. orr. 2003ko urria

[2] Woese CR "There must be a prokaryote somewhere: microbiology's search for itself" Microbiol. Rev. 1–9. orr. 1994ko martxoa online

[3] Sapp J "The prokaryote-eukaryote dichotomy: meanings and mythology" Microbiol. Mol. Biol. Rev. 292–305. orr. 2005eko ekaina online

[4] Thanbichler M, Wang S, Shapiro L "The bacterial nucleoid: a highly organized and dynamic structure" J Cell Biochem 506–521. orr. 2005

[5] Costerton JW, Lewandowski Z, Caldwell DE, Korber DR, Lappin-Scott HM "Microbial biofilms" Annu. Rev. Microbiol. 711–745. orr. 1995 online

[6] Shapiro JA "Thinking about bacterial populations as multicellular organisms" Annu. Rev. Microbiol. 81–104. orr. 1998 online

[7] Hamilton WD "The genetical evolution of social behaviour. II" J. Theor. Biol. 17–52. orr. 1964ko uztaila online

[8] McSween HY "Evidence for life in a martian meteorite?" GSA Today 1–7. orr. 1997

[9] McKay DS, Gibson EK, Thomas-Keprta KL, et al "Search for past life on Mars: possible relic biogenic activity in martian meteorite ALH84001" Science 924–930. orr. 1996ko abuztua online

[10] Zimmer C "Origins. On the origin of eukaryotes" Science 666–668. orr. 2009ko abuztua

[11] Brown, J.R. "Ancient Horizontal Gene Transfer" Nature Reviews Genetics 121–132. orr. 2003ko otsaila

[12] Forterre P, Philippe H "Where is the root of the universal tree of life?" Bioessays 871–879 1999ko urria

[13] Poole, Anthony, Jeffares, Daniel, Penny, David "Early evolution: prokaryotes, the new kids on the block" Bioessays 880–889. orr. 1999ko iraila

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]